科學家是怎樣測量光速?

幹呀吧

據說伽利略曾這樣嘗試著測量光速(1638)。

他讓一個人拿著燈籠站在岸上,然後另一個人也拿著燈籠站在船上遠離岸邊。當船和岸相隔一定距離的時候,岸上的人會用手遮擋燈籠,船上的人看到岸上燈籠被遮擋住後,立刻也用手遮擋住自己的燈籠。

如果光速有限,岸上的人會看到對面燈籠的遮擋有一段時間的滯後。忽略人看到燈光後的反應時間,光速應等於:c=2d/t,這裡d是兩個人之間的距離,t是岸上的人從自己遮擋燈籠到看到船上燈籠光被遮掩的時間延遲。

可惜的是光速太快了(30萬公里每秒),而人體神經系統從感受到刺激到作出反應的時間又太長了(至少是0.1秒),這個時間光已經跑出3萬公里了,而我們地球的半徑也不過才6000多公里。

換句話說,要想測量光速,地球這個實驗室太小了,我們必須把實驗室搬到太陽系中,搬到太空中。

人類歷史上第一次測量光速(1675),就是利用木星衛星的“掩蝕”現象,這相當於是在木星軌道的尺度上重做伽利略實驗。

我們可以這樣來理解這個實驗,一個人在木星附近按照一定週期(木星衛星圍繞木星運動的週期,42.5小時)遮擋燈籠的光,同時另一個人和地球一起逐漸遠離木星,當後者由A退到C的時候,木星由於公轉速度較慢,幾乎還停在原來的位置(J1->J2)上,但光由J傳播到C比光由J傳播到A要多走一個地球公轉軌道的直徑(3億公里)。最後我們在C觀察到的木星被遮擋的時間將滯後1000秒左右。

因此光速就是大約30萬公里每秒。此後,物理學家又用光行差法測量了光速(1728)。

光行差法原理圖,只要知道在6個月時間裡,遠處恆星星光落下角度的角度差,及地球本身公轉的速度,我們就可計算出光速。

除了加大實驗室的尺寸外,精確地測量時間t是測量光速的另外一個途徑。1849年,裴索(Fizeau)用旋轉齒輪法第一次在地面上測量了光速。

裴索實驗的核心是一個快速旋轉並可確定轉速的齒輪,假設齒輪不轉動,燈光可從齒間的空隙中穿過,並進到觀察者的眼睛裡。

齒輪轉動起來,假設光走一個來回的時間,正好齒輪轉過了一個齒,這樣光又順利地進到觀察者的眼睛裡了。由於我們知道齒輪的轉速,所以齒輪轉過一個齒所需的時間就是確定的(儘管非常短),這樣我們就可以求出光速了。

裴索測得的光速是313111公里/秒,考慮到當時的儀器製造技術,這是一個驚人的成就。

在旋轉齒輪法的基礎上,傅科(Foucault)又發展了旋轉鏡法,1862年,傅科測出的光速是29.8萬公里/秒。1926年,美國物理學家邁克爾遜用改進的旋轉鏡法測得光速是299796公里/秒,誤差不超過4公里/秒。

最後,光速的現代值是299792.458公里/秒(2014 CODATA)


物理思維

在300多年前,丹麥有一位天文學家叫奧勒·羅默,就是他第一次通過天文觀測計算出計算出了光的速度。具體的方法比較複雜,但是原理我們是比較容易理解的。地球是會繞著太陽公轉的,公轉的時候就會變換位置,所以在一年的不同時候距離木星的距離是不一樣的,少則6億多公里則9億多公里。即使是光也要需要三四十分鐘才可以跑完。所以地球位置變化就使得,光從木星到地球花費時間很容易被觀察到。這位天文學家,就是通過記錄地球和木星之間距離的變化,以及光線傳過來時時間的變化,計算出了光的速度。


不知道大家會不會好奇,為什麼是木星,就不能是其他星球嗎?比如距離更遠的土星。如果是其他星球的話還真沒辦法。大家想想看,測量光從其他星球傳到地球的時間應該如何做呢?最簡單的方法,就是起點記錄一個時間,終點記錄一個時間,兩個一減就可以了。光線到達地球的終點時間我們是很容易記錄下來的,剩下的只要減去另外的那個星球上發出光的起點時間。可問題是,不論是什麼星球,上面都是沒有人的,沒有人可以記下光線傳播開始時間的,也就沒有辦法做減法,當然也就不能知道光線傳播的時間了。


木星特別的地方,是它有幾顆非常明亮的衛星,會繞著木星旋轉。我們很容易就可以通過望遠鏡在地球上觀察到。按理說,這個旋轉的時間是固定的,可是就因為地球的公轉和木星的距離總是發生變化,所以就會導致我們觀察到木星衛星的選擇的時間是會發生變化的。於是就可以根據這個變化的時間推斷出光線在這段距離中花了多少時間。是這樣,奧勒·羅默才計算出了光的速度。


當時他計算出來的速度是大約22萬公里每秒,和現在準確數字,也就是30萬公里每秒,還差了將近8萬公里。或許你會認為8萬公里這個實在是一個太大的數字了,這應該是一個嚴重的錯誤。實際上並不是這樣的,首先奧勒·羅默是第一個確定了光的速度不是無限的人。之前人們討論光的速度到底是有限還是無限,總是爭來爭去,但是誰都沒有可信的證據。這一下在奧勒·羅默提出這種測量方法之後,光的速度有限的基本上就是板上釘釘的事實了。剩下的就是搞明白這個速度到底是多少了。


在數字的準確性方面,即使奧勒·羅默計算出現了誤差,但是仍然是很了不起的,20多萬和現在的標準數值30萬都是在幾十萬每秒這個數量級上。在天文觀測中,能在數量級上保持正確已經是很了不起了。這個數量級的意思,就是一個數字是幾位數。比如,1萬和5萬,都是在萬這個數量級上的,可以說它們數量級相等。但是1千和1萬就不是一個數量級了,1千比1萬少了一位數,也就是少了一個數量級。如果是10萬的話,是比1萬多一個數量級。


再舉個例子,半人馬座α星距離地球4光年多,天狼星距離地球將近9光年,在天文學家眼中這兩個星到地球的距離是差不多的。只有幾十光年,幾百光年才算是真正意義上的更遠。


好了,這就是有關奧勒·羅默和光速測量的故事了。至此以後,人們對光速的研究就始終沒有停止過。隨著科技的發展,能夠測量出來的精度也越來越


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