真空光速每秒299792.458千米,科學家為此努力了三個多世紀

太陽給予了地球誕生生命的可能,因為陽光是生命進程中不可或缺的一環。除此之外,光也給予了人類無窮的想象,淨澈的星空深處是否存在著琉璃般璀璨的遺蹟,廣袤地表的某個角落到底發生了怎樣神奇的故事。。。而這一切的驚喜都可以由光為我們帶來。

真空光速每秒299792.458千米,科學家為此努力了三個多世紀

光可以帶來信息,一個很自然的疑惑也隨之而來:

光有速度嗎?如果有,那麼速度是多少呢?

我們現在知道,光的速度大約在每秒30萬公里,這是一個相當驚人的數值,要知道我們腳下那碩大的地球,其直徑不過一萬兩千多公里,也就是光可以在一秒內橫穿25個地球。那麼如此驚人的速度,人類又是憑藉怎樣的聰明才智去測量出來的呢?

1607年伽利略準備了一項實驗,想以此來證明光速有限以及光速的數值大小(在十七世紀以前,很多人認為光的速度是無限大的)。

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在相互距離已知的兩個山頂上,各留一個人,每個人手中提一盞燈,隨後其中一人將自己手中的燈光遮掩,而另一人則在觀察到燈滅後,隨即將自己手中的燈遮掩,之前那人則記下從自己遮掩燈光後,再看到另一個燈光消失之間的時間,最後利用已知距離,求出光速。

這個實驗在今天看來是相當粗糙的,雖然原理並沒有什麼錯誤,但由於人的反應時間等因素,結果可想而知。

1676年丹麥科學家奧勒·羅默首次證明了光速有限以及給出了光速的數值。

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這個證明是基於天文觀測的,利用木星的衛星——“木衛一”會發生衛星蝕的現象,所謂衛星蝕就是指衛星被環繞天體所遮掩,無法受到陽光照射的現象,如下圖,A是太陽,B是木星,CD那塊陰影就是照射不到陽光的區域,當木衛一進入那塊區域時,地球觀測者就無法看到木衛一了。

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地球軌道為標有字母EF等的那個圈,奧勒·羅默觀察到一個現象,當地球位於木星和太陽之間的軌道時,與地球在軌道另一側時相比,木衛一衛星蝕的時間時不一致的,前後相差了有十多天。

如果認為光速是有限的,那就能很好的解釋這個現象,在這個基礎上,奧勒·羅默進一步的計算出光速的數值大約為每秒21萬公里左右。這個數值在今天看來,雖然數量級對上了,但數值相差還是比較大的,然而不可否認的是,在三百多年前首次測出的光速能有這樣的精準度還是可以的。

之後還有科學家提出利用恆星的光行差測量光速,進一步提高了光速的精準度,但這些方法毫無例外都是利用天文觀測為基礎,那麼我們難道就不能在直接在地球上給出光速數值嗎?

1849年,法國物理學家阿曼德·斐索利用齒輪、鏡片等等看似簡單的器材卻完成了人類首次利用地面環境測量光速的實驗。

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下面就是實驗的示意圖,簡單來講,先是光源發出的光經過齒輪傳播到後面的反射鏡片上,而後再從鏡片反射回齒輪,由於齒輪是不透光的,因此光線只能從齒輪縫隙間傳出,如果我們讓齒輪轉起來,那麼反射回來的光就是忽閃忽暗的狀態,利用齒輪轉速、齒輪齒數、齒輪與反射鏡之間的距離等已知條件,我們就能算出光速大小。

真空光速每秒299792.458千米,科學家為此努力了三個多世紀

最終測下來的結果是

每秒31.5萬公里,這一數值相比於今天的30萬公里可以說是相當接近了。

再比如1860年傅科的旋轉鏡法、1879年開始的邁克爾遜的旋轉稜鏡法,這兩種方法都進一步的提高了測量值的精準性,尤其是邁克爾遜的旋轉稜鏡(邁克爾遜花了50年時間,不斷的進行實驗),其最精準的測量結果是299796±4千米每秒,這個同我們現代測量的結果299792.458千米每秒,誤差不過0.0012%,精準度可見一斑。

真空光速每秒299792.458千米,科學家為此努力了三個多世紀

邁克爾遜

真空光速每秒299792.458千米,科學家為此努力了三個多世紀

旋轉稜鏡法

進入20世紀以來,科學家們對光速有了更多的測量方法,比如克爾盒法、空腔共振法等,這裡就不多做講解了。

從伽利略對光速有限的證明開始,歷經三百多年,在求證的道路上,越來越多的科學家都為此做出過貢獻。這樣的例子在科學史上還有很多,這種堅持不懈、嚴謹求真的科學態度是人類科技發展至今的保證,值得敬佩。


本篇文章的內容到此結束。

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