03.02 光的速度怎么测出来的?

哼哼唧唧12138


测量物体的速度,最先浮现在我们脑海中的,就是找出一定时间下的该物体走过的路程,然后相除。

光速,能不能这样测呢?

光速测定的历史沿革:

1.伽利略的灯笼实验

1638年,意大利科学家伽利略开始了他的实验:

两个人A和B站在相距约一英里(约1.6公里)的山头上,都手提灯笼。A提起灯笼就开始计时,B一看到A提灯笼也提起灯笼,A看到B提起灯笼后停止计时。

伽利略得出的结论是,就算光速是有限的,它也肯定快到不可思议的程度。

意大利佛罗伦斯的实验学会于1667年再次进行了伽利略的实验。在两盏灯相距约一英里的情况下,没有观察到任何的延时。用今天的已知光速计算,当时的延时只有11微秒。


2.巧用太阳系计算光速

1675年,在法国巴黎天文台就职的丹麦天文学家奥勒·罗默,通过观测木星卫星之相互掩食与理论值相比之差,算出光穿过地球所需要的时间。

原理:

就像日食或是月食一样,木星和木卫一也会出现“木卫一食“现象。

这是因为木星挡住了太阳的光线。如下图:(A是太阳,B是木星,DC为被木星遮住阳光之后的阴影区,木卫一在这区域时难以被观测到)


奥勒·罗默认为出现“木卫一食“现象的周期是恒定的。当我们在地球上观测到“木卫一食”现象时,不同的位置(比如地球在G和在F位置时,离木星B距离不同),“木卫一食”现象出现的时间也不同。

所以记录下看到“木卫一食“现象的不同时间,再计算出这些不同时间下地球与木卫一的距离差,就能计算出光速。

但是当时人们连地球离太阳多远都不知道,所以罗默只能出估算光横跨地球的公转轨道直径需要22分钟。

(在当时的条件下,罗默可以说是取得了非凡的结果)

后来荷兰物理学家、天文学家和数学家,土卫六的发现者,克里斯蒂安·惠更斯,利用罗默的这一数据,加上对地球轨道直径的估值,计算出光速大约为220,000 km/s,比实际数值低了26%。


3.灯笼实验的延伸

伽利略测量光速的思路是正确的,只不过当时条件所限,没法测出。

1849年,法国物理学家阿曼德·斐索,想出了一个仪器。

这个仪器由光源、反光镜、旋转的遮版和一个固定在35公里外的反光镜组成。

当光源发出的光线由转动的遮板空隙射至远方的反光镜被反射回来时,只有在适当的转速下才能再穿过遮板被侦测到。

当能够在光源这边看到反射回来的光时,利用挡板旋转的周期,和光源与反光镜之间的距离就能测出光速。

后来,莱昂·傅科进一步完善了斐索的方法,他将旋转的挡板改为了旋转的反光镜组合。

通过测量旋转反光镜组合的反射角,测得更精确的光走过这段距离的时间。

傅科在1862年所得出的数值为298,000 km/s,离如今的约299792千米/秒已经非常接近。


改进后的仪器被称为斐索-傅科仪


4.后来

1856年,威廉·爱德华·韦伯和鲁道夫·科尔劳施通过莱顿瓶的放电测量出电磁单位荷和静电单位荷之比(1/√ε0μ0),并发现这与斐索此前所测得的光速非常接近。

1860年代初,麦克斯韦在发展电磁理论的时候证明,电磁波在真空中的传播速度和韦伯和科尔劳施得出的比值相等。而又因为该比值和斐索此前所测得的光速十分相近,

所以,麦克斯韦提出,光其实是一种电磁波。

20世纪下半叶,光速的测量准确度随着谐振腔和激光干涉仪的发展而不断地提升。

至今,公认的光速的精确值为299,792,458 米每秒。


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1.伽利略意识到光速是有限的。

在17世纪,笛卡尔认为光速是无限的,而伽利略却认为光即使传播的很快,但也需要时间,他首先用实验来验证这个问题。在一个黑沉沉的夜晚,伽利略和他的助手到佛罗伦萨郊外面对面站在相隔九公里的两个山头上各自拿上一盏有遮光板的提灯,伽利略设想只要测出从他打开灯到他看见助手的灯光所经历的时间,再测量出两个山头之间的距离,不就可以求出光速了吗?但是失败了,因为时间太短了。给人们启示,要在很长很长的距离上测量。

2.罗默利用“天文钟”测光速

罗麦算出光速为215000千米/秒。后来还有天文学的另一种重要方法叫光行差法,测得为303000千米/秒。

3.斐索的遮断法――地面测光速第一人

1849年斐索测得光速315300千米/秒。

4.傅科――地面实验的重大突破者

1850年法国物理学家傅科改进了斐索的方法,创造了旋转棱镜法,测得298000千米/秒。

5.迈克尔逊――光速测定的集大成者

美国物理学家迈克尔逊集中了斐索、傅科等人的实验仪器,设计出旋转八角棱镜法,测得299796千米/秒。6.更先进的方法:用波长和频率测光速

微波空腔法

1950年英国物理学家埃森测得299792.5千米/秒

7.激光测光速

1974年英国国家物理实验室用二氧化碳激光器来测定光速为299792.458千米/秒。

1983年10月第17届国际计量大会通过“米”的定义:米是光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内行程的长度。由于光速成为一定义值,它的不确定度为零,不需要再进行测量,从而结束了300多年来测量光速的历史。


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要想说光速如何测量,首先得说光有速度,就是光速有限,要是象笛卡尔一样认为光速无限那么也没有测量的必要了。

第一个意识到光速有限的是伟大的伽利略,不过伽利略也仅仅是意识到,为什么这么说呢?因为他既没有提出光速有限的理论,这有点难为伽利略了,这要到麦克斯韦那时才有这个理论基础,不过他也没有测出光速,因为他把光速想象地太小了,不过这也无所谓了,科学嘛,本来就是在摸索中前进。

伽利略测量光速的方法简单粗暴,就是安排两个人站在两座山顶上,两个人手里都拿着一盏灯,其中一个人打开灯的遮光板,同时记录时间,对面山顶上的人看到灯光后就打开自己灯的遮光板,第一个人看到对面灯光后,记录时间,这样两倍山顶的距离除以时间差就是光速了。

伽利略实验的基础当然是正确的,但是结果也当然是错误的,因为伽利略没有意识到光速是如此的巨大,另外伽利略也没有考虑人的反应时间,相对于光速,人的反应时间太长了。

不过这也看出伽利略测量光速也是一时兴起,并没有打算深入研究,因为伽利略最重要的发现就是发现了木星的卫星啊,而且还恬不知耻地用美第奇家族的名字来命名,要是他真的打算研究光速,就应该用星星来测量啊,对于他来说,那是不是手到擒来啊。

伽利略没有想到,罗默却想到了。

罗默是丹麦天文学家,当时就职于巴黎天文台,他发现木星的卫星木卫一在木星上的投影做周期性变化,觉得光速可能是有限的,没错,木卫一就是伽利略发现的,所以说伽利略根本就没有打算深入研究光速。

罗默发现,地球最接近木星时,木卫一的公转周期是42.5小时,而地球远离木星时,木卫一从阴影中出现的时间会比预测的时间越来越晚,这只能说明随着地球和木星的距离越来越远,使得光需要更多的时间传递信号,就是说光要通过行星之间增加的距离,使得计时的信号在第一次和下一次之间因而延长了额外的时间。当地球向木星接近时,情形则正好相反。

罗默经过观测,得出结论:

这个速度已经很精确了,和目前光速差不多。

但是罗默的数据还有一个问题,那就是地球轨道直径时多少呢?要是不知道地球轨道直径那么也不会知道光速啊,这还需要大神出场。

惠更斯是光学大佬,就是他和牛顿争论了半辈子光的微粒说和波动说,惠更斯结合天文学和罗默数据,得出光速大约是22万公里每秒。

这么热闹的事情怎么会少了爵爷呢?牛顿在《光学》中提出光可以在一秒内穿越地球16.6次,大约是21万公里每秒,至于怎么得出来数据,爵爷没说,应该是参考了罗默的数据,不过凭爵爷的尿性,就是参考了他也不会承认。

需要指出的是,罗默的数据基本准确,只是惠更斯和牛顿计算出来失误,不过这已经证明了光速有限。

沿着这条路走下去,以后的数据会越来越精确,不过这条路太麻烦了,一观测就需要好几年,人生苦短啊,所以还是回到伽利略的老路上来吧。

斐索采用了旋转齿轮法来测量光速。

如图所示,斐索的意思是,在光源与镜子中间放一个齿轮,齿轮的齿恰好能遮住光,齿之间的缝隙又能透过光,在观察者看来,就会忽明忽暗,而光的反射时间是固定的,因为距离是一定的,而齿轮的速度是可调的,而且也是容易测量的,一明一暗的时间间隔就是光通过这段路程的时间,这和伽利略实验的理论基础是一致的,不过可以把时间控制在极小范围内。

索菲测量的光速大约是31.3万公里每秒,这已经很接近目前测量的光速值了。

不过这个方法还是有点问题,因为是在用齿轮遮挡光啊,能不能不这么办啊,傅科想了想,说要不转一下镜子吧。

傅科就是建造傅科摆,证明地球自转的那位大神,他几乎同时提出了旋转镜法测量光速,而且精度颇高,测定光速为29.8万公里每秒。

都测量这么精确了,理论物理学家是不是该站出来说句话了,麦克斯韦说我来吧。

在麦克斯韦方程组中就包含了电磁波速度的计算方法,麦克斯韦根据测量结果计算出了电磁波的速度,结果和光速很近似,不过这也可以理解啊,因为之前的测量都是在空气中的,麦克斯韦的计算在真空中,那么可不可以认为光速和电磁波的速度一样呢?在进一步,光是不是一种电磁波呢?

还没等麦克斯韦想清楚,上帝就召唤他而去了,这个问题就需要爱因斯坦来解决了。

说到爱因斯坦,自然就要提起迈克尔逊莫雷实验,虽然爱神一直不承认受到了迈克尔逊莫雷实验的启发,但是实验确实是在他提出狭义相对论之前做的。

不要以为迈克尔逊只做了以太零实验,他还测定了光速,而且他测定光速可以说是传统方法测定光速的大成了,他改进了傅科的旋转镜法,用旋转的八面镜来做实验。


得出了精确的光速值,至此光速测量应该已经告一段落了,之后的实验只是用更精密的仪器来做,例如光开光。

1972年,埃尔森测量了真空中的光的波长和频率,计算出了光速值,这已经是光速测量的终结,因为这是在光的本质上测量光速。

1983年,国际计量大会通过c==299792458米/秒来重新定义了长度单位米,光速作为一个基本单位进入了日常生活,光速的测量也完成了历史使命。


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