光速那么快,究竟是怎么测出来的?|科学小馆儿

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真空中的光速可以说是自然界里物体运动的最大速度了。目前科学界公认的光的速度是299792.458 km/s,也就是在一秒的时间里,光可以跑299792.458千米那么远,约等于绕地球赤道7.48圈。

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既然光“跑”得这么快,那科学家们又是怎么得到如此精确的数字的呢?光速究竟是怎么测出来的呢?

伽利略——意识到光有速度第一人

17世纪以前,人们一直以为光的速度是无限的,开普勒和笛卡尔都对此深信不疑。但伽利略却提出了不同的观点,他认为,光的速度虽然很快,但仍是有限的,并且是可以测量出来的。


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伽利略画像

来源:网络

为了证实自己的猜想,1607年,伽利略设计了世界上第一个测量光速的实验。他让A、B两个人分别站在相距1.5千米的两座山的山顶,想利用两个山头看到灯光的时间差来测算光速。但由于间隔的时间太短了,根本无法精确测出。最终,伽利略的实验以失败告终,但他却开启了人类测量光速的真理之门。

罗默——天文法测量第一人

木星的公转周期为12年,每当木星的卫星绕木星一周,就会在进入木星影子处发生一次“蚀”。这类似于月蚀,当木星运行到卫星和太阳中间时,木星的“卫星蚀”就会发生。

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木星

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但事实上,人们看到卫星蚀的时间是不断发生变化。这显然说明,地球和木星的位置在不断变化,地球和木星的距离也不是一个定值,不仅如此,这种现象的出现还与光的速度有关。

1676年,丹麦天文学家罗默对木星的这颗卫星进行了长期的观测。他发现,实际看到卫星蚀的时间都比推算的时间要晚了十几分钟。他认为,这是因为地球与木星的距离在逐渐增大,所以光传到地球的时间也相应延长了。因此,罗默推断,光的速度是有限的。他还算出,光走过与地球轨道半径等长的距离所需的时间为11分钟。

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罗默

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罗默预言,原本应在1676年11月9日上午5时25分45秒发生的木卫蚀将推迟10分钟。最终的观测结果证实了罗默的猜想。而后,又经过多番验证和矫正,著名科学家惠更斯利用罗默的理论,计算出了科学史上的第一个光速值:214000km/s。

斐索——地面实验的探索

第一个在地面上测出光速的人是法国物理学家斐索。他设计了一个巧妙的装置——旋转齿轮,以此来测定光的速度。

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旋转齿轮

“旋转齿轮”由一个齿轮、一面镜子和一面半透明镜组成。光源发出后,会经半透明镜反射到镜子上,而镜子又会再将光反射进观测者的眼睛中。这中间,有一个齿轮,当它开始旋转时,就会将反射到人眼中的光切割成一段一段,人们因此会看到闪光。通过齿轮的转速和光的路程,就可以计算出每次闪光的速度。这种方法虽然存在不足,但却是光速测量史上的开创之举,为后来的测量工作奠定了基础。

迈克尔逊——光速测量的集大成者

迈克尔逊从1879年开始就在从事光速的测量研究,直至1926年,持续了大约50年。他总结了前人的不足,设计出“旋转八面棱镜法”来测量光速。

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旋转八面棱镜法

在“旋转八面棱镜法”中,迈克尔逊用一个正八面钢制棱镜代替了旋转镜法中的旋转平面镜,从而延长了光的路线;用精确测定的棱镜转速代替了齿轮法中的齿轮转速,从而减小了时间测量的误差。在这个实验中,迈克尔逊计算出光的速度是299796km/s,这在当时被认为是最精确的记录,而迈克尔逊也因此成为了1907年诺贝尔物理学奖的获得者。

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迈克尔逊

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光速测量新时期

自从迈克尔逊之后,光速长达250多年的测量探索暂时告一段落。直至1929年,对光速的测量进入了一个崭新的阶段。新的实验技术和实验方法层出不穷,光速也越来越精密,最终成为物理学界的一个定义值。

1937年和1941年,美国的安德生先后两次测量光速,最后利用克尔效应测出光速为299776km/s。

1949年,阿斯拉克逊用雷达测量电磁波的速度,其结果为299792km/s。

1952年,英国实验物理学家弗罗姆用微波干涉仪测量光速,具有极高的精密度。用这种方法测得的光速为299792km/s。

1960年,激光应运而生。

1972年,美国标准局埃文森等人用测量激光频率和真空中光的波长的方法,测得光速为299792.458 km/s。而这一数值也最终在1973年召开的第五届米定义咨询委员会和1975年召开的第十五届国际计量大会被作为国际推荐值使用。

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光速经历了300多年的测量之旅,终于有了定论。在探究过程中,科学家将理论与实践、计算与测量完美结合,最终获得了精准的光速数值。

光速的确定,不仅影响了单位“米”的定义,更是对进一步的研究提供了帮助。像光速、“米”这样的标准单位看似平淡无奇,但它们却见证了人类文明的进步。科学无所限,人类探索世界的旅程,才刚刚开始。

创作团队:中国科学技术馆新媒体团队

审核专家:李永乐 北京人大附中物理教师、知名科普博主

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投稿时间:2021-11-12  最后更新:2022-06-18

标签:光速   伽利略   棱镜   木星   齿轮   精确   测量   地球   速度   时间   科学

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