当初人类是怎么测试出光速的?

-皓新338


在很早的时候,科学家们就已经得知,光速非常快,但确实不知道有多快。

伽利略是第一个尝试测量光速的科学家。他和助手,每人持一盏灯,站在相距一公理左右的两个山头上。伽利略先遮住手中的灯,助手看到伽利略遮住灯后也遮住手中的灯,然后伽利略就会看到助手的灯灭掉。一来一回,就是光走两趟的时间,用两地距离除以这个时间,就能得到速度。但是理想很丰满,现实很骨感,伽利略发现光速比他想象中的还要大得多,这个方法根本测不出。

后来,科学家傅科和菲索一同发明了齿轮法,来测量光速。如上图所示,只有在齿轮转速恰好合适的时候,射出的光和返回的光才能同时通过齿轮的间隙。这样,根据在观察侧看到返回光点时,齿轮的转速,就能计算出光速了。光速不易测,但齿轮的转速是容易测得的。这样一来,就把难测的物理量转换成了容易测的,事情也就简单了很多。傅科和菲索进行了超过28次观测,最终得出了312000公里每秒的光速结果。这已经和现在公认的值很接近了。

之后,极高精度的光速测量则来自迈克尔孙。他设计了一个以旋转的八面镜为核心的测量系统,只有当八面镜的转速为特定值的时候,光才能顺利通过光路,到达观测者的眼睛。又是把光速转化为转速,这次他得到了299853千米每秒的精确结果。

当然,现代,激光的广泛使用和干涉仪的发明,使得光速测量简单了很多。用最基本的公式,光速 = 波长* 频率,就可以计算出非常精确的光速。


在之后,光速就成为了标尺,用来定义“米”这个长度单位,光速的值也被固定在了299792458m/s


IvanZhu


关于光速有多快,人类很早就做过思考。由于光的传播速度比一般物体的运动速度快很多,所以很早之前的人们大都认为光的传播是瞬间完成的。直到17世纪70年代,罗默才首次确认了光速的有限性。尽管在此之前,伽利略曾经做过测量光速的实验,结果却没有成功。

在17世纪初,伽利略通过天文望远镜发现了木星最大的四颗卫星——木卫一、二、三和四。其中木卫一最靠近木星,它的公转周期最短,大约为1.77天(42.5小时)。由于木卫一环绕木星的轨道平面几乎与木星环绕太阳的轨道平面共面,所以木卫一在环绕木星运动的过程中,它每隔一段时间就会进入木星的阴影中,从而产生星蚀现象。这就像月球进入地球的阴影中产生月食一样,但由于月球白道面和地球黄道面有一个5度的夹角,所以在每个月球公转周期中不是每次都会出现月食。

通过测定连续两次的木卫一星蚀间隔时间,罗默发现,在地球靠近木星时,这个时间间隔会变短;而在地球远离木星时,这个时间间隔会变长。于是,罗默意识到,光的传播并不是瞬间完成的。由于在距离变远时光的传播时间会随之变长,所以光其实是以一个有限的速度传播。

不久后,惠更斯利用罗默的观测结果以及当时所知的地球轨道半径,计算出光的传播速度约为22万公里/秒。虽然这个结果比现在已经的数值(大约30万公里/秒)低了很多,但这却是人类对光速认识的一大飞跃。后来,人们有了更为精确的数据,再通过罗默法测出的光速与精确数值很接近。

此外,由于光速的特殊性,目前的光速已经被定义为一个精确值——每秒传播299792458米,我们已经无需测量光速。


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