如何肉眼測光速?

想要知道這些貼地飛行的摩託車到底有多快，我們有許多方法。

比如已知曼島TT摩託車賽單圈60.72公裡，世界記錄16分43秒，我們可以直接計算平均速度——218千米每小時，和民航飛機起飛時的速度相當。

或者跟這位觀眾一樣，直接用測速儀。

測速儀會發射出特定頻率的電磁波，而由於都卜勒效應，被摩託車反射回來的反射波頻率會增加。

經過簡單的數學變換就可得出，摩託車的速度等於電磁波頻率的變化量和原始頻率的比值，再乘上二分之一電磁波的傳播速度。

也就是光速——299792458米每秒。

那麼問題來了~

如此誇張的光速又是怎麼測量的呢？

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唰~唰唰~

嗖~嗖嗖嗖~

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讓我們先來做一個簡單的實驗：這裡有兩道先後出現的閃光。

現在逐漸減小兩道閃光出現的時間間隔，當間隔足夠短時，兩道閃光在人眼看來就像是同時發生的一樣。

實驗心理學的先驅們通過許多類似的實驗發現，人類視覺能感知到的最短時間大約是30毫秒，遠弱於聽覺和觸覺。

但即便你朝著五公裡外的地平線打一束亮光，等這道亮光反射回你的眼睛，所需的時間也比30毫秒短一千倍。

也就是說，生活在地球這顆小行星上的人類，根本不可能僅憑藉血肉之軀分辨出「光是在以有限的速度傳播」還是「以無限的速度瞬間到達」。

這一爭論從古希臘開始持續了2000餘年，但正反兩方誰也無法拿出有力的證據。

就這樣稀裡糊塗地到了17世紀，在哥白尼的《天體運行論》發表100餘年後，人類逐漸意識到，浩瀚星空不是天幕上的光點，而是相距甚遠的宏偉天體。

於是人們得以在更大尺度上觀察」光的運動「。

這顆長得像個煎餅的星體是距離木星最近的衛星——木衛一，它的的公轉平面和木星的公轉平面幾乎齊平。

所以木衛一繞木星公轉的每圈都會穿過木星的陰影，形成「木衛一蝕」，周期與木衛一的公轉周期相等，差不多42個半小時。

天文學家羅默在1668年到1678年這十年間觀察並記錄了60次木衛一蝕的出現時間，結果發現：

隨著地球在公轉軌道上移向木星，在地球上觀測到木衛一蝕之間的時間間隔將逐漸變短。而當地球遠離木星時，木衛一蝕的間隔則逐漸變長。

羅默根據這些數據計算出，當地球距離木星最近時，木衛一蝕將比按照公轉周期預測的時間提前約11分鐘出現。

而六個半月後，當地球距離木星最遠時，木衛一蝕將比預期的時間晚11分鐘出現。

這表明光線需要約22分鐘的時間，來穿過地球公轉直徑的距離，速度約為2億2千萬米每秒。

雖然羅默測量的結果比實際光速低了26%，但這個數字在當時也已經大得突破了人們的想像。

此後新的測量實驗在設計時紛紛參考這一數據，動輒以幾公裡的距離來設計光的傳播路徑。

1849年，法國物理學家菲索和傅科設計了一套非常巧妙的實驗設備：

他們讓光線從旋轉齒輪的齒槽中通過，傳播到8公裡以外的鏡子後，再反射回來。

當齒輪轉速足夠快時，反射回來的光，就恰好可以被相鄰的輪齒完全擋住。

此時就可以根據齒輪的轉速求得光往返8公裡距離所花的時間，進而算出光的速度。

菲索先後重複了28次實驗，最終測得光速約為每秒3億1500萬米，與實際光速僅差5%。

1862年，傅科用旋轉的反光鏡代替齒輪，改進了先前的實驗裝置，進一步將測量誤差縮小到了0.6%。

而幾乎同一時間，麥克斯韋通過方程組計算出電磁波的傳播速度，發現其與光速高度吻合。

人們於是意識到，光的本質就是一種電磁波，光速就等於光的波長和頻率的乘積。

1972年，美國國家標準局利用幹涉儀精確測量了甲烷雷射的頻率和波長，以此求得的光速為2億9979萬2458.7米每秒。

比此前單位米的測量準確度還高了100倍。

於是在1983年，國際計量大會正式決定，將光速規定為一個精確的固定值，再以它為標準，重新定義了米這個單位：

一米等於光在真空中每秒傳播路徑的2億9979萬2458分之一。

實際上，利用電磁學知識，你甚至也可以自己的家裡用一臺微波爐來測量光速，畢竟微波爐的本質就是一個微波諧振腔。

首先移除微波爐的旋轉託盤，在其中放入一大塊盆豬油，加熱一分鐘。

此時兩個相鄰融化點之間的距離恰好就是微波的半波長，大約是6.2釐米。

再用6.2釐米乘以2得到微波波長，再乘上微波爐背面標註的微波頻率，就可以算出光速等於三億零380萬米每秒，誤差僅有1.3%。