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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。
在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。
4、1862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,自己設計了旋轉鏡和幹涉儀,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和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
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