科普时间到Vol68追光者光

如果你也是“海米”,一定也知道那个光一样的男人、闪闪果实能力者——海军大将黄猿。“你有被光速踢过吗?”这一定是让超新星们在香波地群岛留下心理阴影的一句话。“速度即重量!”路宝这一脚挨得不轻,那为何路宝不开二档加速躲掉呢?对咯,“王路飞”二挡加速哪里跑得过光速啊!所以这期让我们来聊聊历史上科学家们是如何测量光速的。人类研究光速的历史可以追溯到古希腊时代,那时的人们就意识到光速几乎是无穷的。年,物理界大咖伽利略开始使用实验手段测量光速,并设计了历史上第一个测量光速的实验。他的想法非常直接,让两个人站在相距一英里的山头上,当第一个人点起灯时,开始计时,对面的人看到灯亮起后也点亮自己手中的灯,当第一个人看到对面人的灯亮起时,停止计时,这样就获得了光在两英里走过的时间,就可以获得光速。很明显实验的想法没有错,错在光速太快了,但这个尝试却为测量光速开创了先河。伽利略采用“点灯法”测量光速年,丹麦天文学家奥勒·罗默在观察木星的时候,发现当地球和木星之间的距离变短时,木卫一离开木星阴影的时间变短了,这也让他意识到光速并非是无穷的,而是有一个确切的值,经过计算得到光速为21万千米每秒,这也让罗默成为世界上第一个测出光速的科学家。虽然测得值与真实光速相差甚远,但后来人们才发现罗默的方法是准确的,只是他把太阳光飞越地球的时间计算错误,导致光速计算的误差。

罗默通过观测木卫一的运行规律来测量光速

直到年,英国天文学家詹姆斯·布拉雷德同样用罗默的方法观测,利用光行差理论得到光速为29.8万千米每秒,与现代精确光速值仅相差不到1%!这也告诉我们要多仰望星空,万一测出光速呢!有意思的是,木卫一是年伽利略用自己设计的“伽利略望远镜”发现的木星卫星,与木卫二、木卫三、木卫四统称为伽利略卫星,不得不说伽利略为测量光速操碎了心!在国科大用星达DOB天文望远镜拍到的木星及其卫星(注意看那些小亮点)以上几位天文学家为测量光速做出了不凡的贡献,而在地面上,物理家们也在想办法用科学实验测量光速。年,法国物理学家阿曼达·菲索首次在地面实验室中用旋转齿轮法测量出光速为31.5万千米每秒,这种方法实际上是伽利略思路的科学化。他将一束光分束穿过齿轮上个齿的空隙,照射到8千米外的反光镜上,然后沿原路反射回来,通过旋转齿轮统计遮光次数和齿轮的转速即可计算光速。菲索采用旋转齿轮法测量光速旋转齿轮法的测量精度取决于遮光齿轮的宽度精度,为了提升测量精度,年,法国物理学家莱昂·傅科在菲索的基础上,将遮光齿轮换成了旋转的平面镜,将光速值精确到了29.8万千米每秒。美国物理学家迈克尔逊将毕生精力献身光速测量工作,年通过改进傅科的方法,采用八镜法将反光镜延长到35千米的距离,反复实验,精益求精,最终测得光速值为±4km/s,这已经是人类依靠原始方法测量光速得到的最精确的值!迈克尔逊采用八镜法测量光速以上光速测量方法都是停留在光学测量层面上的原始方法,在麦克斯韦方程组出现后,人们意识到光也是属于电磁波的一种,那么通过测量光的频率和波长,根据c=λf自然就能得出光速了,其中f是频率(Hz,1/s),λ是波长(m)。年,美国科学家埃文森在真空中通过激光干涉法获得了光速的最佳数值:±1.2m/s。他直接测量真空中激光的频率和波长,再根据光速表达式:

计算出光速,此表达式从理论上证明光速是一个常数,这也是爱因斯坦的狭义相对论中一个基本公设:光速不变原理。既然光速是一个常数,在年国际度量衡大会(CGPM)上重新制定了米的定义:“光在真空中行进1/秒的距离”为一标准米。

END

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张业奇校对

张育铭审核

秦伟誉

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