如何量度光速?

１. 光速量測實驗演進


l Bradley法(1727年)

當我們在地球軌道上不同之點，由於視差，我們看到較近星體對較遠星體似有位移，從此位移可計算出星體之距離。Bradley解釋此種效應說：一星體抵達地球光線的像似方向是因為地球在軌道上運行的原因。觀察者及其望遠鏡隨地球運行之速度約為18.5哩/秒，此運動垂直於星體之方向，望遠鏡必須向此運動方向傾斜。舉個例來說，如圖２(a)右邊，一人持傘在雨中前進，傘必須稍向前傾才能達到遮雨的效果。故若檢視望遠鏡觀察遠方星體實之傾斜角度，我們可得到如圖２(a)左邊所示相關之幾何向量圖。




如欲觀測之星體在望遠鏡之軸上，望遠鏡必須指向此方向。如圖２(b)所示，當地球在E1，星體S之像似位置為S1；當地球在E2，星體S之像似位置為S2，依此類推。圖２(b)中角Q為像似運動的角半徑，稱之為光行差角，度量之後得一平均值Q = 20.479''±0.008。若已知地球在軌道運行之速度，就可以帶入公式求得光速。今得軌道速度V = 18.5哩／秒，tanQ = V／C。故C = 186233哩／秒＝299714 Km/s。


圖２(b) 相對位置

l Fizeau法(1849年)

1849年Fizeau首先用一不需天文觀測之方法而成工地量度光速。他的測定原理很簡單，是量測發出一閃光至遠方之反射鏡再回到觀測者的時間。如圖３所示，齒輪高速旋轉，光先經過F點之缺口０，再由Ｍ反射。反射回到齒輪處時，恰由齒b給遮斷。此時測得之齒輪





轉速為12.6轉／秒，這段時間ｔ為兩倍ＦＭ距離除以光速。齒輪共720齒，故其在此時間內轉了1/1440轉。由C／( 2FMx1440 )　轉／秒＝12.6轉／秒可知光速為：C = 194600哩／秒＝313300 Km/s。



l 旋轉鏡法（1850年）

由Arago提出，1850年 Fizeau與 Foucalt各自獨立完成。此實驗原理如圖４所示，光源S所發出的光透過Ｒ、Ｌ再由Ｍ反射回來。反射途中因為Ｒ旋轉了Ｑ角，反射光柱將旋轉２Ｑ角，由Ｇ所形成的像將位移至E'。很顯然的，EE'的距離決定於Ｒ的角速度Ｗ及ＲＧ、ＲＭ跟ＧＥ。光線由 Ｒ出發，經Ｍ反射再回到Ｒ的時間為 ｔ＝２RM／Ｃ。在這段時間內，Ｒ轉的角度為q＝２Ｗ（ｔ），此時對半徑ＲＳ而言 ，光柱所掃過的弧長為：SS' = EE' = q xｒ= ２Ｗ（２ＲＭ／Ｃ）x （ＲＳ）。因為Ｗ跟EE'跟Ｗ為已知，故可測得光速為：C = 298000 Km/s。








l Michelson法(1926年)

1926年Michlson在Wilson天文台做了一連串的標準度量。其裝置原理跟Fizeau有些類似，其所採用的儀器裝置如圖５所示。由光源S所發出的光，經八角鏡的ａ面反射後，透過ｂ、ｃ、Ｍ1、Ｍ2及ｂ'、c'再透過八角鏡的ａ'面由ｐ反射至Ｅ點。Ｍ1、Ｍ2的距離為22哩，故ｂ、ｂ'等光學鏡組之間的距離可忽略不計。假設光行經22 x 2哩恰被轉了1/8轉的鏡面a'給反射到Ｅ，若此時八面鏡的轉速為528轉／秒，則推算光素的公式為：（1/8轉）／（22 x 2／Ｃ）＝ 528轉／秒。由此可測得光速為：

Ｃ＝299228.16 Km/s。實驗２０次的平均值為Ｃ＝299794±4 Km/s。


圖５ Michelson測定光速的裝置


l 雷射測定光速

近年來因為雷射光技術的進步，對於固定其波長已有一定的水準。而用雷射光來測定光速，固定的波長是很重要的，所以在使用雷射光之前必須先穩定He-Ne雷射的波長。我們採用的技術是用ＰＺＴ二極體，ＰＺＴ二極體的特性是可以用高電壓來控制它的大小，我們可以利用它這個特性來做He-Ne雷射的熱效應回授補償（裝置如圖６所示）。接著我們就需量測雷射的頻率。雷射光的頻率很高，大約數十百萬赫茲。因為目前尚無法用儀器直接量測如此高赫茲的波，故我們採用heterodyne（外差法）來求其頻率，再利用Ｃ＝ｆｘl這個公式求得光的速度。

目前，科學界求得的光的速度已精確到９位數，Ｃ＝299798458m／s。

點、線、面、體。

點：？？
線：一元
面：二元
體：三元

我在一張紙上畫一條線。
紙上的線，不是一元，是二元！
但，我們從二元的世界，明白到一元的線性世界。

我畫完畫，拿起這張紙。
紙張不是二元，是三元！
但，我們從三元的世界，明白到二元的平面世界。

我在紙上計數，y=x * x，當1=1*1, 0=0*0，之後，就無x過到y。
x係行極都過唔到y。這是，點。
點是最神秘鬼未。無維比有維更難了解。
讓我說兩個例子，

愛因斯坦的相對論，提出時間為「第四元」的觀念。
另外有光速是絕對，當時，這理論是很有魅力。
你會覺得，「原來世界不是這麼細」神秘丫？
定係「原來呢石仔，點飛都快唔過光」神秘呀？

現代科學，好多人都識得有「宇宙大爆論」。
即是宇宙由一點出來，越來越「多」。
這是什麼？就是說，「無中生有」。
色即是空，空即是色；
有即是無，無即是有；
又無又有，又有又無。
有一個「大宇宙」，擁有一個點，叫「無」；
而呢一粒點「無」，裡面又「有」成個3-d太空。
當一條繩，不斷切斷，能否「得」到點？
不是找到，要得到?
無元，即沒有變數，沒有「axis」。
但，它擁有多元，即所有變數，也是擁有整個「世界」。