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。這種情況下,只有齒輪的轉速是某一些特定的值的時候,光才可以順利通過兩個間隙,而不被擋住。而這個特定的轉速,則與光速有關。這樣,就把光速的測量,轉化成了測量一個齒輪的轉速。這個就簡單多了。
之後,還有了麥可遜的改進實驗。把齒輪換成了一個八面的鏡子。鏡子不斷旋轉,只有在轉速是特定的值的時候,光才能順利被反射,進入觀測者的眼睛。由於這裡,鏡子對光路的影響更大,所以測量的精確度可以更高。
現代的光路測量往往會使用幹涉法。通過測量特定頻率的雷射的波長,再用速度=波長*頻率,就能算出來速度。這一方法的精度極高。
現在,由於米是從光速定義過來的,所以光速的值也就定死了,就是299792458m/s。
自己在家中的小實驗
當然,如果你想要自己在家裡測一測光速,也不是不可以。
找一個微波爐,去掉旋轉託盤,放一盤棉花糖進去,加熱至部分融化。
用尺子量一下熔化-不熔化-熔化的這個周期
然後再去微波爐屁股後面看一看裡面微波的頻率
(一般都是2.45GHz)。光速 = 波長 * 頻率,就可以算出光速了!
這個方法當然很不準啦,一般誤差會達到10%上下,但是帶小孩玩一玩還是很有意思的!關鍵是,還能順勢買一波零食對不對~
歷史上測量光速的實驗
第一個嘗試去測量光速的是伽利略。他和他的助手在夜間相隔數公裡遠面對面地站著,每人拿一盞燈,燈有開關。首先,第一個人先舉起燈,同時記下時間。當第二個人看到第一個人的燈時立即舉起自己的燈,也記下時間。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1.6km裡的時間。為了減小誤差,伽利略反反覆覆舉燈,但當時的他不知道光的傳播速度實在是太快了,這種方法最終失敗。但伽利略的實驗揭開了人類歷史上對光速進行研究的序幕。
在1862年,法國物理學家傅科成功地發展了另一種測定光速的方法,他用一個高速轉鏡來測量微小的時間間隔。下圖是經過改進後的實驗裝置示意圖。轉鏡是一個正八面的鋼質稜鏡,從光源S發出的光射到轉鏡面R上,經R反射後又射到35公裡以外的一塊反射鏡C上,光線再經反射後回到轉鏡。所用時間是t=2D/c。在t時間中轉鏡轉過一個角度。實驗時,逐漸加快轉鏡轉速,當轉速達到528轉/秒時,在t時間裡正好轉過1/8圈。返回的光恰恰在稜鏡的下一個面上,通過半透鏡M可以從望遠鏡裡看到返回光線所成的像。用這種方法得到c =299,796±4公裡/秒。
1950年,艾森提出了用空腔共振法來測量光速。這種方法的原理是,微波通過空腔時當它的頻率為某一值時發生共振。根據空腔的長度可以求出共振腔的波長,在把共振腔的波長換算成光在真空中的波長,由波長和頻率可計算出光速。當代計算出的最精確的光速都是通過波長和頻率求得的。1958年,弗魯姆求出光速的精確值:299792.5±0.1千米/秒。1972年,埃文森測得了目前真空中光速的最佳數值:299792457.4±0.1米/秒。