當初人類是怎麼測試出光速的?

-皓新338


在很早的時候,科學家們就已經得知,光速非常快,但確實不知道有多快。

伽利略是第一個嘗試測量光速的科學家。他和助手,每人持一盞燈,站在相距一公理左右的兩個山頭上。伽利略先遮住手中的燈,助手看到伽利略遮住燈後也遮住手中的燈,然後伽利略就會看到助手的燈滅掉。一來一回,就是光走兩趟的時間,用兩地距離除以這個時間,就能得到速度。但是理想很豐滿,現實很骨感,伽利略發現光速比他想象中的還要大得多,這個方法根本測不出。

後來,科學家傅科和菲索一同發明了齒輪法,來測量光速。如上圖所示,只有在齒輪轉速恰好合適的時候,射出的光和返回的光才能同時通過齒輪的間隙。這樣,根據在觀察側看到返回光點時,齒輪的轉速,就能計算出光速了。光速不易測,但齒輪的轉速是容易測得的。這樣一來,就把難測的物理量轉換成了容易測的,事情也就簡單了很多。傅科和菲索進行了超過28次觀測,最終得出了312000公里每秒的光速結果。這已經和現在公認的值很接近了。

之後,極高精度的光速測量則來自邁克爾孫。他設計了一個以旋轉的八面鏡為核心的測量系統,只有當八面鏡的轉速為特定值的時候,光才能順利通過光路,到達觀測者的眼睛。又是把光速轉化為轉速,這次他得到了299853千米每秒的精確結果。

當然,現代,激光的廣泛使用和干涉儀的發明,使得光速測量簡單了很多。用最基本的公式,光速 = 波長* 頻率,就可以計算出非常精確的光速。


在之後,光速就成為了標尺,用來定義“米”這個長度單位,光速的值也被固定在了299792458m/s


IvanZhu


關於光速有多快,人類很早就做過思考。由於光的傳播速度比一般物體的運動速度快很多,所以很早之前的人們大都認為光的傳播是瞬間完成的。直到17世紀70年代,羅默才首次確認了光速的有限性。儘管在此之前,伽利略曾經做過測量光速的實驗,結果卻沒有成功。

在17世紀初,伽利略通過天文望遠鏡發現了木星最大的四顆衛星——木衛一、二、三和四。其中木衛一最靠近木星,它的公轉週期最短,大約為1.77天(42.5小時)。由於木衛一環繞木星的軌道平面幾乎與木星環繞太陽的軌道平面共面,所以木衛一在環繞木星運動的過程中,它每隔一段時間就會進入木星的陰影中,從而產生星蝕現象。這就像月球進入地球的陰影中產生月食一樣,但由於月球白道面和地球黃道面有一個5度的夾角,所以在每個月球公轉週期中不是每次都會出現月食。

通過測定連續兩次的木衛一星蝕間隔時間,羅默發現,在地球靠近木星時,這個時間間隔會變短;而在地球遠離木星時,這個時間間隔會變長。於是,羅默意識到,光的傳播並不是瞬間完成的。由於在距離變遠時光的傳播時間會隨之變長,所以光其實是以一個有限的速度傳播。

不久後,惠更斯利用羅默的觀測結果以及當時所知的地球軌道半徑,計算出光的傳播速度約為22萬公里/秒。雖然這個結果比現在已經的數值(大約30萬公里/秒)低了很多,但這卻是人類對光速認識的一大飛躍。後來,人們有了更為精確的數據,再通過羅默法測出的光速與精確數值很接近。

此外,由於光速的特殊性,目前的光速已經被定義為一個精確值——每秒傳播299792458米,我們已經無需測量光速。


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