光速這麼快,是如何被人類測出來的,你知道嗎

2021-01-18 璃人實現怎挽

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。

相關焦點

  • 光速這麼快,是如何被人類測出來的?
    因此我們幾乎可以斷定,伽利略的這個實驗是測不出光速的。事實也是如此,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。在兩盞燈相距約一英裡的情況下,沒有觀察到任何的延時。
  • 光速是宇宙中最快的速度嗎?有四種速度比光速還要快
    有了超快的速度,我們才有了探索整個世界的資本,才能夠在速度的優勢下走遍地球,了解整個世界。後來,我們的科技更進一步,速度也再次獲得提升,終於走出了地球開始探索宇宙。而當我們走出地球看到浩瀚宇宙的時候,才知道人類自以為豪的速度在宇宙中連龜速也算不上。想要真正探索宇宙,需要一個超乎我們想像的速度,這個速度就是超光速。
  • 「快子」是什麼?人類為何無法「突破」光速?
    「快子」是什麼?人類為何無法「突破」光速?從微觀的角度來看,宇宙萬物都是由最基本的粒子構成的。而在科學家的「想像」當中,卻有一種現實中並不存在的粒子「快子」。「快子」又被稱為「超光速粒子」,顧名思義,就是快子的速度能夠超越光速,但是這種「快子」在現實當中卻是「不可能」存在的。
  • 光速恆定?或許還有比光速更快的速度,人類無法想像
    隨著後面我們的長大,掌握的知識越來越多之後也就知道了光其實是有速度的。並且光的速度還是這個世界上最快的,或者說是宇宙之中最快的。人類無法製造出和光速一樣快的裝載機器。人類科學家們對光速世間知識的獲取多了之後,就發現光速似乎是無法超越的,以及光速在真空之中是恆定的。如果現在有人說還有著其他比光速更為快的速度,或許你會不信。
  • 光速是速度的「極限」,宇宙中存在比光速還快的現象嗎?
    大家都知道愛因斯坦他提出的相對論,愛因斯坦說任何有質量的物體在移動速度都不可能超過光速,他把這定義為光速的不可超越性,而且是針對有質量的物體,但是我們人類並不甘心,為了研究能夠超越光速的物體,我們人類也是付出了很多努力,但是到目前為止,人類還沒有成功,在我們生存的宇宙當中,究竟有什麼速度能夠超過光速嗎
  • 宇宙中最高的速度真的是光速嗎?還有比光速更快的速度嗎?
    人類一直有一個星際旅行的夢想,可是要想實現星際旅行,最關鍵的因素是速度,人類目前所達到的速度能夠支撐人類進行星際旅行嗎?從地球往返月球時間不過3秒,從地球飛到火星需要的時間也不過3分鐘,而號稱人類速度最快的帕克號探測器,它的速度不及光速的1500分之一,由此可見光速是一個極快的速度,儘管如此,光速的快依然是相對的,對於人類來說,光速快的讓人追不上,但是從宇宙角度來看,光速卻慢得像蝸牛一樣,為什麼這麼說呢?
  • 快子世界中光速十分緩慢,人類運動等於靜止,光速在這裡猶如龜速
    在速度的較量中,光速無疑是最快的,但是隨著科學技術的不斷發展,人們發現宇宙膨脹的速度遠遠超過了光速。很有可能人類在速度的研究上沒有止境,正如分子之下還有質子,質子之下還有量子,探索的深入使人們發現了更多來自宇宙的秘密。
  • 光速既然是最快的速度,但為何還能觀測到137億光年外的空間?
    光不攜帶任何影像信息,只具感動人類視覺功能。遙遠的星星的光早已到達地球,它如放大鏡把星星的影像顯現在人類眼前。供人類隨時觀看星星的即時現象。你以為你用光速運動就永生了?別傻了,你還是活不過150歲,不過等你跑一圈回來,地球可能過去上千年了。你相對於地球上的人活了他們幾輩子的時間,但是,你並沒有真的活上千年。因為你們的時間尺度不同了,你用幾十年的時間,別人過去了幾千年,你的時間多了麼?
  • 我們的思想有速度嗎?有沒有可能比光速還要快?
    聲音對於正常人類而言是看不到也摸不到的,它是以聲波的形式存在,既然聲波這種無形無相的事物都有速度,那麼人類最為神秘的意識,也就是我們常說的思想,會不會也具備速度的屬性呢?思想的速度事實上,根據科學家的研究,思想是具有速度的,而且是非常快的!我們知道,宇宙中速度最快的是光,光在真空中的速度是30萬千米/秒。
  • 光速並非宇宙最快速度,4個「超光速」現象,你知道幾個?
    人類對宇宙的探索從來沒有停止過。也正是人類不懈的探索,讓我們了解到了許多以前不知道的事。宇宙的浩瀚與人類的渺小,讓我們不得不產生敬畏之心。現在,連光速是宇宙中最快的速度這一理論也將不再成立。可想而知,我們的宇宙到底存在多少我們無法想像的事。那你知道超過光速的這四種速度是哪四種嗎?在宇宙誕生的初期,宇宙暴漲的速度是超過光速的。現在,科學家普遍贊同宇宙起源於大爆炸的說法。
  • 光速理論上不可超越,那麼神秘的「快子」世界,又該如何理解?
    光速理論上不可超越,那麼神秘的「快子」世界,又該如何理解?相信大家都知道光速是目前人類已知世界裡面的最快速度,傳說中達到光速以後,我們能夠做到很多的事情,例如以一秒鐘的時間繞著地球轉圈圈,甚至在那遼闊的宇宙之中進行隨意的穿梭運作,還有一些科學理論認為,光速能夠讓我們長生不老或者實現時間和空間的永恆。
  • 比光速快的粒子存在嗎?用其原理製成的電話能打回過去嗎?
    人們普遍認為光速是宇宙速度極限,任何事物的速度都無法超越光速。但事實上,這隻適用於正常情況,原因很簡單:每當你推動一個有質量的物體,比如火箭,你都得消耗能量才能使其運動。速度越快,所需能量越多。這是按增加的比例計算的,隨著它的速度接近光速,它需要越來越多的能量來進一步加速直到達到光速,而這需要無窮多的能量。但你永遠不可能提供這麼多能量。
  • 光的速度最快嗎,這種粒子比光速還快!
    我們從小就知道光的速度是世界上最快的,光的速度可以達到每秒鐘30萬公裡,這是我們目前已知的最快速度。 但是,有一種物質——快子,它的速度比光速快。20世紀美國的幾位物理學家提出了快子學說。他們認為快子的能量和速度是一種反比的關係,它隨著自身能量的不斷消耗而產生無限大的速度。
  • 目前已知光速最快,那麼未來有沒有可能發現快於光速的速度呢?
    愛因斯坦在1905年發表了狹義相對論,帶領人類認識了一個全新的物理世界。在狹義相對論中,他認為時間和空間都是相對的,只有一種現象是恆定的,可以將時間和空間聯繫到一起,那就是光速,從而提出了光速不變原理。即無論在何種慣性系(慣性參照系)中觀察,光在真空中的傳播速度都是一個常數,不隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變。所以光速被認為是目前宇宙中最快的速度。
  • 人類無法超越光速,被什麼東西限制了?科學家說出根源!
    人類無法超越光速,被什麼東西限制了?科學家說出根源!說到宇宙的極限速度,我們的第一反應就是光速,它被公認為最快的速度,任何物體都無法超越光速,即便速度再快的物體,也只能無限制的接近。它的存在像是一個亙古難題,比宇宙還要複雜,人類本身都難以接近光速,想要突破這一障礙,得先解決目前的絆腳石。人類無法超越光速,被什麼東西限制了?科學家說出根源!除光速之外的極限速度是什麼?據科學家的分析,除了光速速度快之外,膠子和引力子都能達到光速,只是這兩種粒子沒有所謂的質量。
  • 比光速還快物體,每秒多跑六公裡,已被科學家實驗證實
    我們都知道目前宇宙中最快的速度是光速,平均每秒的速度是30萬公裡左右,如果人類未來準備星際移民或者開展宇宙旅行、探索之旅,那麼首先得到光速人類才有希望進行下一步。那麼,宇宙中是否存在比光速還要快的東西呢?
  • 光速為什麼不能被超越,根本原因到底是什麼?
    還記得電子嗎?一個電子比質子輕了1836倍!在LEP電子對撞機中獲得的能量為104.5GeV,是人類有史以來最快的加速粒子,達到了0.999999999988c,299,792,457.9964m/s,僅僅比真空中的光慢3.6毫米/秒!
  • 宇宙中最快的速度光速,它自身動力從何而來?為什麼能一直運行?
    光速每秒30萬公裡,身為宇宙中最快的速度,它的動力來自哪裡?在宇宙中最快的速度莫過於是光速了,沒有任何事物能夠超過它,通過相對論我們能夠了解到,宇宙中的事物只能接近它,不能超過它,因為接近光速的一瞬間,物質就會不斷開始擴大,慢慢就開始爆炸,所以這個時候想要再接近光速的時候,簡直是太難了,這也是在宇宙中沒有超光速物質的原因,讓很多人比較鬱悶,難道在宇宙當中真的沒有超過它的物質嗎?光速到底是什麼?
  • 宇宙本身膨脹的速度真的比光速還快嗎?
    「啊哈」,你會說,「那說明了空間膨脹的速度比光快!」事實真的如此嗎?由於為了讓一個物體的運動速度超過光速,它需要有一個固定的速度:你可以在一秒內測量出運動的距離有幾千米。但宇宙的膨脹完全不是這樣。相反地,宇宙在以每個距離單元內不同的速度膨脹,通常我的測量是每兆秒差距下每秒的公裡數,其中一個兆秒差距大約是326百萬光年。
  • 如何超越光速?|No.227
    大家總說光速不可超越那是因為人類的能力是有極限的今天我們就不做人啦JOJO帶你超越光速!見識一下超光速的世界Q1為什麼不同種類的物質蒸發速度不一樣?實際上整個地球包括地面、空氣和天上飛的所有東西,始終都在隨著地球一起快速地轉動(坐地日行八萬裡),只是我們感覺不到這種轉動而已,如果地面上真有什麼東西定在哪裡不隨地球轉動,我們看到它運行的速度將是非常非常大的(如果你真用這種視角來定義直升機的懸停,那半天后地球另一端的朋友們確實就看到它了,只是對你而言,你絕對不會覺得直升機在懸停,你會覺得它飛的好快,除非你真在月球上),誇張點來說,就好像你在天津跳高