299792458m/s,現在,我們可以輕易地得到光速的準確數值。但是直到近代以前,人們對光的速度都缺少一個準確的認識。甚至都不能確定光速到底是無限的,還是以極快的有限速度傳遞。
目前發現的關於這個問題的文獻顯示,對光速的最快研究可以追溯到古希臘時代。
歷史記載顯示,恩佩多克勒(公元前490-前430年)是第一個聲稱光速有限的人。他相信光是一種運動,所以運行需要時間。
古希臘、伊斯蘭世界和歐洲的古典學者都對此進行了長期的討論。到1676年,Oller Romer首次測量光速,得出光速有限的結論。1638年,著名科學家伽利略提出了他做的實驗。伽利略一行四人分為兩組,分別在相距較遠的兩座山峰上攜帶光源3354煤油燈。
他對煤油燈做了一個簡單的改善,就是在煤油燈的一側加上一個滑梯,這樣關上滑梯,燈光就會被遮住,拉滑梯的話,燈光就會發光。快速拉滑梯可以產生煤油燈熄滅和閃爍的效果。
伽利略的實驗中,除了兩個煤油燈外,還需要兩個相同的鐘擺計時裝置和記錄數據的紙筆。他計劃利用記錄兩邊照明解除時間的方法來測量光速。
我們得知光速約為每秒30萬公裡,人的反應時間約為240毫秒。因此,我們幾乎可以斷定伽利略的這個實驗無法測量光速。
事實上,義大利佛羅倫斯的實驗學會(Accademia del Cimento)於1667年進行了伽利略的實驗。當兩盞燈相距約一英裡時,沒有觀察到任何延遲。
如果把我們今天知道的光速數值代入這個實驗來計算,延遲只有11微秒,這已經超過了人類反應的極限。
顯然伽利略沒有測量光速。他得出的結論是,即使光速有限,也快得難以置信。最先測量數據的人是奧勒羅默。1676年,奧勒羅默首次測量了光速。
羅默觀察木星的衛星木衛二,木衛二圍繞木星公轉,轉到木星後面的時候,如果被遮住,就會出現衛星蝕刻。隨著地球從公轉軌道向木星移動,地球觀測木衛二日食的時間間隔將逐漸縮短。當地球遠離木星時,歐羅巴的日食間隔越來越長。
我來簡單介紹一下這個方法。首先,從中學物理學知識可以看出,如果歐羅巴是以木星為中心,以一定的速度進行圓周運動的話,歐羅巴日衛星蝕刻的周期不會改變。羅默根據這一數據計算,地球離木星最近時,木衛二的日食將比根據公轉周期預測的時間提前11分鐘左右出現。6個半月後,當地球離木星最遠時,歐羅巴的日食將比預想的晚11分鐘出現。累計時間點差異最多22分鐘!他意識到這22分鐘是光線在地球公轉軌道傳播的時間。
後來克裡斯蒂安惠更斯通過對這個數字和地球公轉直徑的評估,推算出光速約為每秒22萬公裡,這個數字大約有26%的誤差。
艾薩克牛頓(Isaac Newton)在1704年出版的《光學》書中解釋了羅默的光速計算,並提出了將光從太陽傳播到地球所需的時間為「7分鐘到8分鐘」。
羅默和惠更斯的結果與實際大不相同。到19世紀,阿曼德菲索發明了旋轉齒輪法,獲得了315000公裡/秒的光速數值。萊昂福柯在1862年以298000公裡/秒的速度進一步完善了避難所的方法。這個數據已經很接近正確的值了。
2旋轉齒輪法請簡要說明旋轉齒輪的方法。旋轉齒輪法《對旋轉稜鏡法和旋轉齒輪法測光速的討論》。
根據上圖,放置實驗儀器,齒輪不動時,光線通過鏡頭L進入人眼。先慢慢轉動齒輪W。由於光線被齒輪遮擋,我們可以看到明暗混合的圖像(下圖B)。將齒輪調整到特定的轉速,以便在第一個接合口反射後立即被相鄰的第一個齒輪遮擋。
這樣我們就看不到光了。這時,通過計算轉速、光學和齒數,我們可以得到光速。
旋轉齒輪法原理《對旋轉稜鏡法和旋轉齒輪法測光速的討論》三旋轉稜鏡法後來麥可遜用旋轉稜鏡法得到了更準確的數值。旋轉稜鏡法。《對旋轉稜鏡法和旋轉齒輪法測光速的討論》。
他選擇了兩個山峰來測量兩個山峰之間的距離,並在第一個山峰上設置了強光源和正銷售稜鏡。
強光源發出的光穿過狹窄的縫隙,反射到八面鏡子的鏡子1上,反射到放置在第二個山峰上的凹鏡子上,從凹鏡子反射回第一個山峰。如果八面鏡子不動,反射的光就會從八面鏡子的鏡子3反射回來,經過望遠鏡進入觀察者的眼睛。
我們把光虛擬成粒子,第一個粒子經過稜鏡1號面反射後,把稜鏡旋轉成小角度。粒子通過遠反射鏡反射後,3號面不再與光成45度角。此時粒子無法進入觀察者的眼睛,因此無法看到光源的圖像。旋轉稜鏡法。
《對旋轉稜鏡法和旋轉齒輪法測光速的討論》。
稜鏡速度緩慢上升,光線反射回稜鏡時,稜鏡會旋轉1/8圈,即2號面旋轉到原來3號面的位置,光線會重新進入觀察者的眼睛,使觀察者能夠再次看到光源的圖像。這樣稜鏡轉動1/8的時間是粒子從1號面反射回到3號面的時間。
光可以理解為不斷的粒子團,如果將稜鏡調整到適當的轉速,就能看到不斷閃爍的樣子。由於視覺滯留效果,我們可以看到持續的圖像,這對觀測也有一定的影響。
總之,在旋轉稜鏡法中,可以根據八稜鏡轉動1/8所用的時間和兩個山峰之間的距離來計算光速。麥可森經過校準後,1926年測量的光速為299796000米/秒,與實際數據非常接近。
上述方法基本停留在光學測量水平,麥克斯韋方程出現後,人們意識到光也是電磁波的一種。因為屬於電磁波,所以測量光的頻率和波長,根據C=F,其中F是頻率{Hz(即1/s)},是波長(M),自然可以得到光速。
4光速不變光速被測量了,但又出現了新的問題。
由於光速有限,根據伽利略的相對性原理,速度是相對的,用其他參考物測量的速度不同。而且速度可以重疊。例如,如果以地面為基準的人的速度為5米/秒,以地面為基準的高速鐵路的速度為83米/秒,則在高速鐵路上向與高速鐵路相同的方向行進時,以地面為基準的速度為88米/秒。
那麼,地面上用手電筒射出的光和高速鐵路上用手電筒射出的光的速度呢?兩者的速度不同嗎。
這個問題困擾了科學家們很長時間,直到麥克斯韋方程的出現和「光速不變」的結論。——是光速不變的原理。也就是說,光速與任何觀察者相比是不變的。
如圖所示,利用大學物理知識和微積分知識,可以得到光速的表達式。在表達式中,真空投資率是常數。真空電容也是常數。代入光速的表達式,我們就可以直接計算光速的大小。
利用上述公式,我們成功地獲得了光速的值,理論上證明了光速是常數,它與任何觀察者相比都是一樣的。
1905年,愛因斯坦總結了麥克斯韋等人的經驗,發表了著名的狹義相對論,狹義相對論的基本學說之一是光速不變原理。1950年,ISON提出用湄公河共振法測量光速。這種方法的原理是,微波通過腔體時,頻率為特定值時會發生共振。根據空腔的長度,求出共振腔的波長,將共振腔的波長轉換成真空中的光的波長,就可以計算出光速。
1972年,Evenson獲得了真正空中光速的最高數值:299792457.4 0.1米/秒。由於光速是常數,1983年國際度量衡大會(CGPM)將「真空中1/299 792 458秒的距離」重新定義為標準米。為什麼宇宙把信息傳遞的最大速度限制在光速。
這個問題還沒有人能回答。一秒內可以繞地球轉7圈半的光速已經很快了,但這個速度對廣闊的宇宙來說太慢了。
除了太陽之外,離我們最近的星星被稱為鄰星,離我們4.22光年。也就是說,即使我們以光速旅行,到達鄰國也需要4年以上的時間。還有我們所在的銀河系,銀盤直徑約10萬光年。根據現有的宇宙模型計算,現在我們可以觀察到宇宙直徑達到930億光年,並且還在不斷膨脹。
描述宇宙時,我們以光年為長度單位,但人類目前最快的飛機3354太陽神2號也達到了0.00023的4倍。
隨著科學技術的發展,也許在遙遠的未來,星際航行將不再是幻想,我們也有機會體驗「接近光速」的感覺。