真空光速每秒299792.458千米,科學家為此努力了三個多世紀

2020-12-12 科學探索家

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像,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。

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30萬公裡,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裡,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)。

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。

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。

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,那就能很好地解釋這個現象,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21萬公裡左右。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。

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。

最終測下來的結果是每秒31.5萬公裡,這一數值相比於今天的30萬公裡可以說是相當接近了。

再比如1860年傅科的旋轉鏡法、1879年開始的麥可遜的旋轉稜鏡法,這兩種方法都進一步地提高了測量值的精準性,尤其是麥可遜的旋轉稜鏡(麥可遜花了50年時間,不斷地進行實驗),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。

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。

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  • 光速每秒30萬公裡,這個數值是巧合嗎?
    光傳為宇宙中傳播速度最快的物質,現在已經深深地印在了人們的腦海中,我們通常說的光速在真空中的傳播速度為每秒30萬公裡,實質上是一個近似值,通過多年來的精密測量,光速的真實速度為299792458米每秒,之所以取30萬公裡,一方面是為了方便記憶,另外一方面是為了計算的簡捷。
  • 為什麼光速是30萬千米/秒,如何定義光速?
    眾所周知,光速是指光波或電磁波在真空或介質中的傳播速度。真空中的光速是目前所發現的自然界物體運動的最大速度。什麼是米,什麼是秒,只有確定了這個問題,才得出來光速是多少。國際上統一的長度單位「米」於1790年由法國科學家提出,以通過巴黎的地球子午線全長的四千萬分之一作為長度單位,取古希臘文「metron」為單位,中文譯作「米」。隨後1792~1799年,天文學家製作了米原器,以其長度作為1米。
  • 光速正好是30萬公裡每秒,是巧合還是設計出來的?
    要回答這個問題,我們不妨從光速的測量史說起。天文測量法17世紀後期,隨著天文望遠鏡的發展,光是否具有速度有了定論。雖然此數據與目前光速的值差別很大,但是這是人類第一次計算出的光速值,具有裡程碑意義。實驗測量法19世紀,科學家開始使用實驗對光速進行測量,其思想是將難以測量的光速,通過實驗,轉化成容易測量的對象進行計算。比較著名的是齒輪測量法。光在光路上傳播時,經過兩次齒輪的間隙後被人看到,只有在齒輪轉速為某個值時,光才可以穿過間隙,這樣就把光速的計算,轉化成了齒輪轉速的計算。後來經過多次改良,這種方法計算的光速為298000千米/秒,誤差已經很小了。
  • 光速和超光速飛行
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  • 光速是怎樣測算出來的,為什麼光速不能被超越?
    眾所周知,真空中的光速是目前所發現的自然界物體運動的最大速度(我們的討論範圍不包括量子力學)。光速在真空中傳播每秒鐘約30萬公裡(299792.458km/s),太陽光以光速傳送到地球需要大約8分鐘的時間。阿爾伯特·愛因斯坦在他的相對論裡提出光速是不可以超越的,那麼為什麼光速不能被超越呢?
  • 為什麼真空光速相對所有參考系速度不變?
    但原理有可能被推翻,如果有一天我們測量到的真空光速不再是固定值,那麼這條原理就需要被修正,或者是被廢棄。不過目前為止,人類還沒有發現真空中光速存在變化,所以這條原理仍然正確。三、光速測量簡史了解了物理思維和什麼是原理之後,我們要來看一下真空光速不變是怎麼發現的。
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    光的速度為什麼是每秒30萬千米而不是更快一點或慢一點?一種新理論使我們離答案曙光更進了一步。塞納河左岸的巴黎天文臺,牆上有一塊展板,上面說光速是在1676年首次被測得的。其實,這一結果實屬無心之得。之後,人們對於光速問題頗有爭議,直到1728年英國天文學家詹姆斯·布萊德雷發現了另一種測量光速的方式。以後的很多實驗證實,羅默對光速的原始觀測數據慢了25 %。今天,我們已經確定光在真空中的傳播速度為每秒299792.458千米。但光速為什麼偏偏是這個數據,而不是其他呢?換句話說,光速是如何產生的呢?
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    大家都知道,光線是現在宇宙所有物質中,在真空中傳播速度最快的(排除量子糾纏和宇宙膨脹現象,因為它們都不能傳遞信息),這個速度值為299792458米每秒,為了便於記憶和計算的方便,人們通常將光速近似看作30萬公裡每秒。
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  • 科普:光速是如何測量的
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  • 宇宙中有比30萬千米每秒的光速更快的速度,那就是宇宙的膨脹速度
    比如,我們在高速公路上開汽車,通常會有一個速度的限制,那就是120千米每小時,也就是差不多33.3米每秒的速度,如果快於這個速度,就超速了。宇宙中比光速還要快的速度不過,在太空探索中,我們普通汽車的速度就太慢了,如果我們發射人造衛星,就需要克服地球的引力,那麼就要達到第一宇宙速度以上,也就是7.9千米每秒。如果我們要飛出地球,完全擺脫地球的引力,那麼就需要達到第二宇宙速度,也就是11.2千米每秒以上。
  • 宇宙中有比30萬千米每秒的光速更快的速度,那就是宇宙的膨脹速度
    宇宙中比光速還要快的速度不過,在太空探索中,我們普通汽車的速度就太慢了,如果我們發射人造衛星,就需要克服地球的引力,那麼就要達到第一宇宙速度以上,也就是7.9千米每秒。如果我們要飛出地球,完全擺脫地球的引力,那麼就需要達到第二宇宙速度,也就是11.2千米每秒以上。以此類推,如果要擺脫太陽系的引力,就需要達到第三宇宙速度,也就是16.7千米每秒。
  • 科學家降低真空光速
    科學家降低真空光速  根據愛因斯坦的相對論,在任何參照系中,光在真空中的傳播速度都是一個常數。最近,科學家成功讓光在自由空間(完美真空)中的速度降了下來。  英國格拉斯哥大學和赫瑞瓦特大學的研究人員進行了一項實驗。在實驗中,科學家安裝了一個特殊隔層,單個光子在通過這一裝置時,形態會發生改變,且速度出現了下降。
  • 是誰把光速限定在每秒30萬公裡這個框框內的,今後還有變化嗎?
    網絡上常常出現一些這樣的問題,為什麼光速是一個整數呢?是什麼人把光速限定在這樣一個範圍呢?諸如此類的問題時空通訊過去多有闡述,但還有不少人有這些疑惑。最近就有位網友提出:光速為何被限定為30萬公裡每秒?好像光速是人為確定下來的,要它多快就是多快似的。
  • 英國科學家成功降低真空中光速 或將顛覆愛因斯坦理論
    原標題:英國科學家成功降低真空中光速 或將顛覆愛因斯坦理論科學家成功降低真空中光速   中新網1月27日電 據外媒26日報導,根據愛因斯坦的相對論,在任何參照系中,光在真空中的傳播速度都是一個常數。但是科學家最近卻成功讓光在自由空間(free space,完美真空)中的速度降了下來。   英國格拉斯哥大學和赫瑞瓦特大學的研究人員進行了一項實驗。
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