光速那么快,是怎么测量出来的?

反迷你的霉霉的忠粉


光速虽然快,但是人们还是发明了很多测量光速的方法。这里介绍几个有意思的。

一、斐索-傅科仪

斐索-傅科仪的结构如上图所示,一束光通过一个齿轮的缝隙,然后飞行8千米,再反射回来。

这个时候,由于飞行这么长的距离需要耗费一定的时间,所以齿轮已经转过一段距离了。那么如果回来的时候,齿轮恰好挡住了光线,那探测器就无法探测到光了。

只有齿轮的转速、齿的密度恰当,我们才能观测到最亮的反射光线。

这个时候就可以通过简单的计算,得到光的速度。

二、从麦克斯韦方程组中解得

根据麦克斯韦方程组,可以列出波动方程,而后可以求的电磁波的速度(光速)。

这个速度只与真空电容率ε0和真空磁导率μ0有关系,而这两个值则可以比较容易的测量出来。得到了这两个值之后,就可以根据:

求的光的速度。


章彦博


大家都知道:光的传播速度非常快,一秒钟就能走30万公里,可以绕地球七圈半。这么快的速度,人类是如何测量的呢?


在古希腊时代,对于光速到底是什么,人们并不是很清楚,因此一些科学家——比如亚里士多德等人,就认为光速是无限大的。甚至有人认为:光是从眼睛中发射出来的,我们一睁眼睛就能看到遥远的星星,所以光速一定是无限大的。


伽利略

文艺复兴之后,近代科学的先驱伽利略在1638年做了第一个测量光速的实验。

伽利略和他的助手站在两个相隔较远的山头上,每个人手里有一盏灯。伽利略首先遮住灯,当助手看到伽利略遮住灯之后立刻遮住自己的灯。伽利略测量从遮住灯到看到助手遮住灯相差的时间,这段时间内光刚好在两人之间传播了一个来回,这样就可以测出光速了。


显然,因为光速如此之快,以至于这个实验根本不可能测量出光速,因为如果不计两人的反应时间和遮住灯的时间,光传播这段距离的时间只需要几微秒,在当时的设备条件下根本测不出来。伽利略也承认,通过这个实验他没有测出光速,也没有判断出光速是有限的还是无限的结论。不过,伽利略说:“即便光速是有限的,也一定快到不可思议。”


罗默

真正意义上的光速测量是从丹麦天文学家奥勒·罗默开始的。

1610年,伽利略利用自己改进的望远镜发现了木星的四颗卫星,其中木卫一最靠近木星,每42.5小时旋转一圈。而且,木卫一的轨道平面非常接近木星绕太阳公转的轨道,所以,有时候木卫一会转到木星背面,太阳的光无法照射到木卫一,地球上的人就看不到这颗卫星了,称为木卫一蚀。


我们来看一个示意图,地球在绕着太阳A在圆轨道FGLK上逆时针运动,木卫一绕着木星B也在逆时针运动。在木星背后CD之间是木星的阴影区,如果木卫一进入这部分阴影,太阳光照射不到木卫一,人们就无法看到它的。也就是说,当木卫一到达C点时就会消失,称为“消踪”,如果木卫一从阴影出来,就能够被人观察到,也就是木卫一到达D点时就会出现,称为“现踪”。罗默就是利用这个现象测量光速的。


首先,我们研究地球靠近木星的时候发生的消踪和现踪现象。

当木卫一到达C点时进入阴影,这个现象的光需要传播一段距离才能到达地球。假设光从C传播到地球时地球位于F点,那么人们观察到消踪现象就比木卫一进入阴影时间晚了一些,这段时间等于CF长度与光速之比。


当木卫一到达D点时走出阴影,重新反射太阳光。这个现象也需要一段时间才能到达地球。由于地球在运动,当这束光到达地球时假设地球位于G点,那么,人们观察到现踪现象也比木卫一走出阴影时间晚了一些,这段时间等于DG长度与光速之比。


但是,由于CF比DG长,所以消踪时间延迟比现踪时间延迟多,即晚发现消踪,早发现现踪。消踪与现踪的时间间隔比木卫一在阴影中的时间要短。我们可以用一个线段图表示这个关系。

同样,我们可以讨论地球远离木星时的消踪和现踪现象。

如果地球到达L发现木星消踪,到达K发现木星现踪,由于地球在远离木星,所以LC的长度小于KG的长度,早发现消踪,晚发现现踪,人们观察到消踪和现踪的时间间隔就会比木卫一实际在木星阴影中的时间长。

1671年到1673年,罗默多次进行了观测,并且得出在地球远离木星时消踪现踪时间差比靠近时长了7分钟,并得出了光的速度在十的八次方米每秒的量级。


牛顿和惠更斯这两位科学巨匠虽然在光到底是粒子还是波的问题上争执不休,但是在光速测量上都支持了罗默的方法。牛顿还测量了光从太阳发射到地球需要八分钟的时间,也就是说:我们看到的太阳是八分钟以前的太阳。太阳如果某个时刻熄灭了,我们也只能在八分钟之后才知道。


迈克耳孙

200年之后,第一个把光速测量精度大幅提高的人是美国物理学家迈克耳孙。

在1877到1879年,迈克耳孙改进了傅科发明的旋转镜,示意图如下:

迈克耳孙在相隔较远的两处分别放置八面镜M1和反射装置M2M3,让一束光从八面镜中的某个面反射,经过反射后通过M2和M3反射回八面镜,并从另一个面反射后进入观察目镜。只有在如图所示的位置时,观察目镜处才会有光。如果八面镜转动一点,经过界面1反射的光就无法照射到M2,观察目镜上就看不到光了。


如果让八面镜旋转起来,并且角速度逐渐增大,会发现在某个时刻又可以从观察目镜中看到光了。这是因为当某时刻界面1刚好倾斜45度角时,光线经过界面1反射到达M2,再返回八面镜时,八面镜刚好转动一格(八分之一周期),于是界面2刚好跑到图中3的位置,将光线反射进入观察目镜。由于视觉暂留现象,观察目镜中一直可以看到光。


假设左右两套装置相距为L,当八面镜转动周期为T时可以从观察镜中看到光,由于L远远大于其它部分的长度,所以光从界面1反射到左侧,再回到右侧八面镜走过的距离为S=2L

根据刚才的分析,光来回运动一次,八面镜刚好走过1格,时间

t=T/8

因此光的速度为

v=S/t=(2L)/(T/8)=16L/T

根据这个原理,迈克耳孙得到了光的速度为299853±60 km/s,与我们今天测量的更加精确的值非常接近。

现在,人们使用更加精确的方法得到光在真空中的速度为299792458m/s,并且利用光速来定义“米”的概念。1米就等于光在真空中传播299792458分之一秒内传播的距离。


如果距离非常大,人们就使用光年的概念:1光年等于光在一年中走过的距离,大约十的十六次方米。我们能看到几百万光年之外的恒星,那是因为那些恒星早在几百万年前就开始发光了,直到今天它们发的光才到达地球。换句话说,我们看到的是它们几百万年前的样子,今天它还存在不存在,还是个未知数呢!


李永乐老师


光速的测量有很多经典的方法和实验,有利用天文现象的,有实验室测量的。说几个印象深的吧。

最早可能是十七世纪丹麦天文学家奥劳斯测的,他利用木星卫星的投影测量。因为地球和木星都在围绕太阳转,所以地球位置不同,看到投影开始和结束的规律也不同,测得光速的值大概是比较接近现代光速值。

后来牛顿在十八世纪初提出光速可能是二十万公里每秒,这个数值距离现在的接近三十万公里差不少。所以单论光速这波,牛顿没做出太大贡献。

再后来到了十八世纪中期,詹姆斯·布雷德里提出光速有限,以及因为地球也在运动,那么光达到地球应该有个角度。这个叫做光行差。所以他算出来了比较精确的光速。


当然,不考虑后来相对论不完美。


同样在十八世纪,介于牛顿和爱因斯坦中间最伟大的科学家麦克斯韦,推导出了电磁波在真空中的传播速度等于静电单位电量与电磁单位电量的比值。这样光速就能通过相关实验结果计算出来了。并且启蒙了了光和电磁波其实是一回事。

还有很多实验结果越来越精确,例如迈克尔逊旋转棱镜法。

再后来1972年,美国埃文森等人直接测量激光频率和真空中的波长,计算出光速。这个数值已经比较精确了,接着1975年国际计量大会就以光速新规定了长度单位。即光速为299792458米每秒。而一秒的定义是铯133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9192631770倍的时间。

所以现在无论人类走到宇宙哪个角落,无论有没有标尺,只要技术足够,就可以得到我们现在的长度和时间单位。至此,光速无需再测量。


蛋科夫斯基


光速确实很快,确实很难测。那该怎么测?这里就要吹一波,科学家的聪明才智了。快的不好测,我们就把它转化成好测的量再来测。

比如最早的高精度测量光速的方法,齿轮法。光在特定的光路上,两次通过齿轮的间隙后被观测者看到。这种情况下,只有齿轮的转速是某一些特定的值的时候,光才可以顺利通过两个间隙,而不被挡住。而这个特定的转速,则与光速有关。这样,就把光速的测量,转化成了测量一个齿轮的转速。这个就简单多了。

之后,还有了迈克尔逊的改进实验。把齿轮换成了一个八面的镜子。镜子不断旋转,只有在转速是特定的值的时候,光才能顺利被反射,进入观测者的眼睛。由于这里,镜子对光路的影响更大,所以测量的精确度可以更高。

现代的光路测量往往会使用干涉法。通过测量特定频率的激光的波长,再用速度=波长*频率,就能算出来速度。这一方法的精度极高。

现在,由于米是从光速定义过来的,所以光速的值也就定死了,就是299792458m/s。

当然,如果你想要自己在家里测一测光速,也不是不可以。

找一个微波炉,去掉旋转托盘,放一盘棉花糖进去,加热至部分融化。

用尺子量一下熔化-不熔化-熔化的这个周期

然后再去微波炉屁股后面看一看里面微波的频率

(一般都是2.45GHz)。光速 = 波长 * 频率,就可以算出光速了!

这个方法当然很不准啦,一般误差会达到10%上下,但是带小孩玩一玩还是很有意思的!关键是,还能顺势买一波零食对不对~


IvanZhu



第一个尝试去测量光速的是伽利略。他和他的助手在夜间相隔数公里远面对面地站着,每人拿一盏灯,灯有开关。首先,第一个人先举起灯,同时记下时间。当第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯,也记下时间。从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间间隔就是光传播1.6km里的时间。为了减小误差,伽利略反反复复举灯,但当时的他不知道光的传播速度实在是太快了,这种方法最终失败。但伽利略的实验揭开了人类历史上对光速进行研究的序幕。

在1862年,法国物理学家傅科成功地发展了另一种测定光速的方法,他用一个高速转镜来测量微小的时间间隔。下图是经过改进后的实验装置示意图。转镜是一个正八面的钢质棱镜,从光源S发出的光射到转镜面R上,经R反射后又射到35公里以外的一块反射镜C上,光线再经反射后回到转镜。所用时间是t=2D/c。在t时间中转镜转过一个角度。实验时,逐渐加快转镜转速,当转速达到528转/秒时,在t时间里正好转过1/8圈。返回的光恰恰在棱镜的下一个面上,通过半透镜M可以从望远镜里看到返回光线所成的像。用这种方法得到c =299,796±4公里/秒。


1950年,艾森提出了用空腔共振法来测量光速。这种方法的原理是,微波通过空腔时当它的频率为某一值时发生共振。根据空腔的长度可以求出共振腔的波长,在把共振腔的波长换算成光在真空中的波长,由波长和频率可计算出光速。当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的。1958年,弗鲁姆求出光速的精确值:299792.5±0.1千米/秒。1972年,埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值:299792457.4±0.1米/秒



遇到么


首先,你要有一个秒表。然后你让光站在100m外的起跑线,叫一个同学在起跑点用发号枪。出发的时候开始计时。

注意,等光冲过终点的时候按停秒表,用笔记下具体的时间t。我们已经知道距离l=100米。

通过体育老师教我们的,v=l/t,我们可以算出光的速度。

谢谢!


七条烟


前言简述

光速真的是被物理学偏爱的东西,现在从资料中知道光速大约30万公里每秒,我们知道这个数字很大,但是具体大到什么程度?我们可能不了解,生活中接触最多的高速也就是飞机和高铁了。接下来是一个直观点的感受,如果我们以光速在地球旅行,一秒钟差不多能绕地球八圈。这么大的速度怎么去测量哪,测量速度最本质的办法就是测距离和时间得速度,接下来我看前辈大拿们怎么测量光速?

伽利略测光速

那个时代甚至不知道光既是电磁波,只是认为光是有速度的,那就去测一下。一个夜黑风高的傍晚,伽利略一行四人,携带着被改造过的煤油灯(前边有盖板,上下抽拉可以放光和挡光)、计时表分别登上两座相离很远但是可以看到山顶,一山上的人放光,另一座山上的人看到光亮后马上放光,这样往复循环,在分别有一人计时间和次数,最终通过距离除时间得到速度,理想很丰满,但是现实却不尽如意,他失败了,一是光速太大,而是实验误差,如果伽利略知道光速一秒钟可以绕地球将近七圈,他一定不会去测量光速。



菲索测光速

通过旋转齿轮法测光速,这个实验设定就很巧妙了,一块平面镜,一束光远,一个齿轮,光照到平面镜上反射回来被我们看到,中间放上齿轮,通过旋转齿轮,随着速度的加快,达到一个特定速度的时候,光正好被轮齿遮挡住,我们知道眼睛到平面镜距离和齿轮齿数及齿轮转速可以计算出光速,通过这个实验当时测的速度为315万公里每秒,这已经非常接近光速了。其实质原理也是距离除上时间。

麦克斯韦、赫兹不经意间的伟大

麦克斯韦和赫兹首先发现电磁波,其实质也是一种波,那么其速度就可以用频率乘上波长,用这种办法计算出来的速度和菲索测量的光速奇迹般地相似,通过各种测量最终确定了光就是电磁波。光速的测量可以用波长和频率求得。


光速测量仪测光速

现代设备测光速,利用该设备对发射光进行调制,并在一定距离远处对光进行解调,得到相位差,再通过发射源与接受源之间的光相位差,测得光速。
(所有图片来源网络,侵删)

上边简单叙述了几种光速测量方法,其实也是测量光速的历史进程,除此之外还有很多其他光速测量的方法如罗默测光,也算是伟大先驱,读者感兴趣都可以去了解一下。


有自己的思考,不轻信盲从,不轻易摒弃。


科学黑洞


很开心第一次回复悟空问答,那么光速的测量一直是科学家一直在讨论的问题,随着时代进步和科技发展。光速的数值每年也在发生变化,无论是物理学中的标准基值还是天文学中的时间单位。光速对人类的发展进步无时无刻不在产生重要的影响。那么在这里就教大家一种简单测量光速的方法。首先,要在晚上找一面平滑的墙壁,然后,左手拿秒表,右手拿电灯。如果,你足够眼疾手快,我相信你会得出满意的结果!


張这张那


两个人面对面站立对视,间隔各1米,中点置只有一个视窗的转盘。转盘由可计算功电机启动。剩下的由数据说话。光就是这样老土的算出来。看电影啊。。。航炮啊。。。都必须解决瞬时速度。。。!


mouse大叔243249820


光速的测量经历了一个相当长的演变过程。最早的靠谱方法是天文法,通过测量木星卫星凌木的时间差得到,已经与光速实际数值误差较小。后来又是齿轮法,所得数值足够精确。再之后用光栅就更精确了。


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