光速測量:光那麼快是怎麼測出來的

2021-01-14 建世谷

新朋友點擊上方建世谷三個字關注我們

1光速很快,快到讓人難以想像。以至於一度所有人都認為光速是無限大的。但是,後來羅默利用木星衛星的周期變化證明了光速有限。現在,我們知道,光在真空中的速度是每秒三十萬公裡,如果你用光速跑步,一秒鐘可以繞地球赤道7圈半,也可以一秒鐘在從地球走到月球然後再回來。


2、光速實在是太快, 以前的科學家對光速測量發起的挑戰都失敗了,其中就有近代科學之父伽利略。光速太快,光走過某段距離的時間太小,當時根本沒有辦法計量這個時間,測量光速的難點就在於難以找到一個精確的計時器。


伽利略測量光速失敗以後,物理學家們都想方設法在實驗中測量光速,但是,技術具有時代局限性,提高實驗精度不是一朝一夕的事情。準確地測量光的速度談何容易?


3、1849年,羅默證明光速有限170多年後,有個法國的科學家,叫做菲索,它想到了一個絕妙的方法來測量光速,看到這個方案的人無不拍案叫絕。他利用一個轉動齒輪來測量光的速度,菲索也就成了第一個在地面上測出光速的人。


菲索的實驗方案是這樣的:一個光源發射一束光通過一個半透鏡反射,反射後的光通過一個齒輪的齒縫照射到遠處的一面鏡子上,光會被鏡子原路反射回來,這樣我們可以在半透鏡後面觀察。


如果齒輪不轉動,光就會從那個齒縫原路返回,我們就可以在半透鏡後面觀察到這束光。當轉動齒輪的時候,在轉速慢慢增加的過程中,光還是會從原來的齒縫反射回來,我們仍然可以觀察到這束光。


當齒輪的轉速提高到一定速度的時候,被反射回來的光會剛好被齒輪擋住,這時我們就觀察不到反射回來的光;當齒輪的轉速再慢慢提高到某個速度時,反射回來的光會剛好從下一個齒縫通過,我們就會再次觀察到這束光。


這樣,根據速度等於距離除以時間,只要知道鏡子到眼睛的距離,齒輪的齒數以及轉速,就可以計算出光的速度。眼睛到鏡子的距離很好得到,齒輪的齒數與轉數也很好得到,光速也就可以很方便地計算出來。


這個方法的成功之處就是不再用一個單獨的計時器來計時,這是以前所有測量光速的實驗失敗的根本原因。在這裡,這個轉動的齒輪就可以用來計時,假設齒輪每秒鐘轉n轉,則轉一周用的時間為1/n秒;齒輪齒數為z,則齒輪轉過一齒用的時間為1/nz秒。


方法聽起來很簡單,但是真正測量的時候也不是那麼容易,菲索不斷地增加齒數,增加齒輪的轉速,增加鏡子與觀察者之間的距離,最後終於發現光被齒輪擋住了,當轉速繼續提高,後來又重新觀察到了光。菲索通過計算,得出光速是每秒31.5萬千米。這個數字離現在精確的值有一定的差距,但是距離真相不遠了。



41862年,傅科成功地發展了另一種測定光速的方法,跟齒輪法類似,他用一個高速轉動鏡來測量微小的時間間隔。當然,測量的基本原理還是利用速度等於距離除以時間。類似的,還有旋轉稜鏡的方法。



隨著測量水平的提高,各種測量光速的方法被設計出來。由於電子學的發展,用克爾盒諧振腔光電測距儀等方法,這樣測定光速比直接用光學方法又提高了一個數量級。特別地,60年代鐳射器發明,運用穩頻鐳射器,可以大大降低光速測量的不確定度。


5邁克耳遜為了進行光速的測量,自己設計了旋轉鏡幹涉儀,用以測定微小的長度、折射率和光波波長。邁克耳遜也因為這些精密光學儀器藉助這些儀器對光譜學和度量學的研究作出的巨大貢獻獲得1907年的諾貝爾物理學獎。


1879年,他得到的光速為299910±5千米/秒;1882年,他得到的光速為299853±6千米/秒。這個結果被公認為國際標準,沿用了40年。邁克耳遜最後一次測量光速在加利福尼亞兩座相差35千米的山上進行的,光速測量精確度最後達到了299798±4千米/秒。




6、在雷射得以廣泛應用以後,科學家開始利用雷射測量光速。它的基本測量原理是基於光的波動說光速等于波長乘以頻率。方法就是測出雷射的頻率和波長,應用c=λν計算出光速c,目前這種方法測出的光速是最精確的。


根據1975年第15屆國際計量大會決議,把真空中光速值定為c=299 792 458米/秒。在通常應用中一般取c=3×10^8米/秒。

  

拓展閱讀

1、光速有限:人們是怎麼發現光速不是無限的

2、魯伯特之淚:擊碎子彈的玻璃

3、蟲洞:時空旅行的秘密

4、白洞:無中生有,比黑洞更神奇

5、倖存者偏差:死人不會說話

 

本文中的圖片來自網絡,如果侵權,請聯繫,我們會及時刪除


如果喜歡,請點擊右上角,發送給朋友或者分享到朋友圈!



相關焦點

  • 光速那麼快,是怎麼測量出來的?
    接下來是一個直觀點的感受,如果我們以光速在地球旅行,一秒鐘差不多能繞地球八圈。這麼大的速度怎麼去測量哪,測量速度最本質的辦法就是測距離和時間得速度,接下來我看前輩大拿們怎麼測量光速?  伽利略測光速  那個時代甚至不知道光既是電磁波,只是認為光是有速度的,那就去測一下。
  • 光速這麼快,它是如何被人類測出來的?
    光速這麼快,它是如何被人類測出來的?眾所周知,光在真空中的傳播速度是299,792,458米/秒(約等於3×10^8m/s),但你知道這個速度是怎麼測量出來的嗎?最開始,包括亞里斯多德在內的科學家們認為光速是無限大的,直到丹麥的天文學家羅默發現了光是以有限的速度傳播,光速的測量才有了真正意義的開始。在太陽系中,行星都是圍繞太陽運動的,木星有一些衛星,例如木衛一,它就是環繞木星運動的。
  • 光速是宇宙中最快的速度,那麼科學家是怎麼測量它的呢?
    很簡單,讓我們先了解一下,人們從古至今是怎樣測量光速的!我們都知道,光速是宇宙中最快的速度。1849年,阿曼德·斐索測得了光速大約為298000km/s,離現今的299792458m/s已經算是相差很少了。光速那麼快,在1849年,科學家是怎麼得出來的呢?再追溯到1607年那個器材簡陋的時代,伽利略是怎麼求出來的呢?
  • 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。,他得到的結論是:就算光速是有限的,它也肯定快得不可思議。既然屬於電磁波,那麼通過測量光的頻率和波長,根據c=λf,其中f是頻率{Hz(也就是1/s)},λ是波長
  • 你知道『光速』是怎麼被測量出來的
    在光速的問題上物理學界曾經產生過爭執,克卜勒和笛卡爾都認為光的傳播不需要時間,是在瞬時進行的。 但伽利略認為光速雖然傳播得很快,卻是可以測定的,1607年,伽利略進行了最早的測量光速的實驗。但是 由於距離較近,光速太快,很難測算出來,但是提出光速是有限的正確理論。
  • 光速這麼快,是如何被人類測出來的,你知道嗎
    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。
  • 「科學有道理」光速那麼快,科學家是如何測量的?
    一百多年前,人類歷史上最偉大的科學家愛因斯坦告訴我們:光速是宇宙中最快的速度,沒有什麼可以超過光速。直到今天,儘管偶爾有超光速現象的存在,但是絕大部分科學家仍然把這個理論奉為圭臬,並且很多時候都找到證據解釋那些超光速現象的問題所在。因此,光速作為宇宙最快速度的地位,依然牢不可破。那麼,如此快的光速,科學家是怎麼測量出來的呢?
  • 光速這麼快,它是如何被人類測出來的?
    眾所周知,光在真空中的傳播速度是299,792,458米/秒(約等於3×10^8m/s),但你知道這個速度是怎麼測量出來的嗎?最開始,包括亞里斯多德在內的科學家們認為光速是無限大的,直到丹麥的天文學家羅默發現了光是以有限的速度傳播,光速的測量才有了真正意義的開始。
  • 光速是如何測量出來的,科學史各種微妙的實驗是否準確?
    光速確實很快,確實很難測。那該怎麼測?這裡就要吹一波,科學家的聰明才智了。快的不好測,我們就把它轉化成好測的量再來測。比如最早的高精度測量光速的方法,齒輪法。光在特定的光路上,兩次通過齒輪的間隙後被觀測者看到。
  • 光速是設計出來的嗎?怎麼測量光速?
    可惜當時天文知識匱乏,對於地球半徑以及軌道的精確度不夠,羅默計算的光速為:214300km/s,與現在的標準值差距很大。羅默雖然沒有算出接近的速度,但是不可否認,羅默找到了非常好的「參照物」。這也是人類第一次測量出來的光速。
  • 光速是如何測量出來的?
    還記得自己曾經在中學課本上看到一個關於伽利略測量光速的故事。他的方法是讓兩個人分別站在相距一英裡的兩座山上,每個人拿一個燈,第一個人先舉起燈,當第二個人看到第一個人的燈時立即舉起自己的燈,從第一個人舉起燈到他看到第二個人的燈的時間間隔就是光傳播兩英裡的時間。
  • 光的速度這麼快,是怎麼測出來的,又是誰第一個測出的?
    他讓助手站在很遠的地方,並在特定時間打開擋板,而伽利略將記錄從助手那到他所在位置的光的傳播時間。只不過他的結論是光速實在是太快了,無法通過實驗測量。(事實上,根據我們現在對光速的了解,我們可以斷言,如果伽利略和他的助手相距大約一英裡,那麼光從伽利略到他的助手這只需要大約五微秒(五百萬分之一秒)的光。這太快了,無法用當時的技術來衡量。)
  • 光速是怎麼算出來的?
    1638年,伽利略在《關於力學和位置運動兩門新科學的對話和數學證明》一書中指出:光速是有限的,而且還提出,「具有熟練技巧」的兩個觀測者,如果迅速地打開手燈,就有可能測出光的速度。伽利略不但預見到光速有限,也提出了測量光速的任務,開始了人類光速測量光速的艱難歷程。
  • 光速應該怎麼測量?教用你家的一臺家電,測得比牛頓還準
    那麼,光速的精確值到底是多少呢?讀完文章,你就……服了,原來光速和長度最終達成了這樣的「協議」……現代光速上一期,我們提到了傅科、麥可孫的實驗,測量到了非常精確的光速。我們也又講,在傅科的計算結果出爐的時候,另一個人震驚了,他就是著名的科學大神——麥克斯韋。
  • 解密TOF相機,它是怎樣用光速測量短距離的?
    大家知道,光速是每秒約30萬公裡,即C=300000000米/秒。如果想用光速測量距離,一般要非常遠才行。然而,現在出現了一款相機,可以集成在手機內,用光測量幾米到幾十米的短距離。假設要測15米的距離,光到達被測物體再返回,來回為2倍的被測距離,即30米,那麼光飛行所需要的時間是:30/300000000=0.0000001秒=0.0001毫秒=0.1微秒=100納秒圖1:光測距原理用相機進行納秒級別的測量?這在以前很難想像,它是怎麼實現的呢?
  • 如何肉眼測光速?
    那麼問題來了~ 如此誇張的光速又是怎麼測量的呢 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。
  • 光速測量簡史
    「測量光速」實際上是測量光的群速度(真空中沒有色散,光波的群速度和相速度相等)。英國天文學家布拉德雷(James Bradley,1693-1762)發現了恆星的「光行差」現象。他注意到,在地球上觀察恆星時,恆星的視位置在不斷地變化,一年內,所有恆星似乎都在天頂上繞著長半軸相等的橢圓運行一周,布拉德雷認為這種現象的產生是由於恆星發出的光傳到地球時需要一定時間,而在此時間內,地球已因公轉而發生了位置變化。
  • 勇於探索的人——測量光速
    眾所周知,光是自然界中傳播速度最快的,可達到每秒三十萬千米。人是怎麼測出光速的呢?從17世紀開始,有很多科學家開始研究測量光速,並做了大量的試驗。第一個想出辦法測量光速的是伽利略。1607年,他從光走直線的特性中獲得靈感,做了一個實驗:他先讓2個人手提一盞前面有蓋的信號燈,分別站在兩個山頭上,兩山相距1.5千米。
  • 光的速度那麼快,它的能量來自於哪裡?
    光沿著測地線運動不需要消耗能量,在引力場中,光通過紅移和藍移來釋放和轉化能量,但光速不變。 我們說光是有能量的,也就是說,光有能力讓物質在其力的作用下產生位移,其實驗證據就是光電效應實驗。光照射在鋅版上,能夠加速電子的運動,速度快到電子可以脫離鋅原子的電場束縛跑出來。 光的能量大小用hν來計算,其中h是普朗克常數,ν是光的頻率。頻率是一個離散量,所以說光是具有量子特性,其能量是一份一份的。
  • 光速為啥那麼快?看完更暈了……
    羅默與卡西尼討論後,認為可能的原因是光速是有限的(之前通常認為光速是無窮大的),使我們觀察有延遲。羅默還粗略地計算出,光要是通過地球公轉軌道半徑這樣長的距離,得需要10-11分鐘。不過,卡西尼認為如果原因真的是光速是有限的,那麼同樣的延遲現象應該也會出現在木星其他的衛星上,但事實上卻沒有,所以,爭議就隨之而來了。