光速是如何測量出來的,科學史各種微妙的實驗是否準確?

2020-12-04 佳人娛樂

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。

相關焦點

  • 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。
  • 科學有道理:科學家如何精確測量光速?實驗和理論的完美貼合
    上一期,咱們介紹了科學家測量光速的方法,從亞里斯多德不相信光速有限,到伽利略測試失敗,再到羅默的粗略估算。當時,羅默已經把光速的數量級給計算出來了,可惜很多因素導致誤差比較大,和現在的準確數字有些偏差。今天,咱們看看科學家如何進一步精確計算光速。
  • 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。
  • 光速測量:光那麼快是怎麼測出來的
    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。
  • 光速那麼快,是怎麼測量出來的?
    一個夜黑風高的傍晚,伽利略一行四人,攜帶著被改造過的煤油燈(前邊有蓋板,上下抽拉可以放光和擋光)、計時錶分別登上兩座相離很遠但是可以看到山頂,一山上的人放光,另一座山上的人看到光亮後馬上放光,這樣往復循環,在分別有一人計時間和次數,最終通過距離除時間得到速度,理想很豐滿,但是現實卻不盡如意,他失敗了,一是光速太大,而是實驗誤差,如果伽利略知道光速一秒鐘可以繞地球將近七圈,他一定不會去測量光速。
  • 引力的傳播速度是光速,科學家是如何測量出來的?
    萬有引力最先是在牛頓的經典物理學中提出的,由於限於當時的時代,沒有將引力當作場來對待,而到了愛因斯坦的時代,物理學進步了許多,從而提出了相對論,更準確的解釋了引力。
  • 光速如此之快是如何測量的?追溯幾百年來科學家測量光速的艱辛歷程!
    科學家先驅們對光速的測量費勁了腦汁,孜孜以求的經過了幾百年的探索和實驗,才得到了準確的光速。最早發起對光速測量的是偉大的科學先驅伽利略。更為重要的是,伽利略的實驗打破了光速無限的思想禁錮,啟動了人類對光速精確度測量的追求。
  • 我們究竟該如何測量光速?看看科學家怎麼說
    提問:科學家們是如何測量光速的?回答:那麼,科學家究竟是如何測量光速的呢?科學家們並沒有。嚴格意義上來說,並沒有真正去測量光速,(通常指真空中光的速度)我們卻準確地知道光速是多少。其速度為:c=299792458ms1。這個數據百分百準確,並且沒有任何測量錯誤。但是,Jack說的到底是怎樣得出的一個數據?
  • 光速恆定實驗測量的真理,近代物理快速發展是從對光的理解開始!
    這是歷史上非常著名的測量光速的掩燈方案,但由於光速實在太快了,地面測量很難捕捉到,因斯實驗並沒有成功。17世紀人類首次測量出光速數值由於宇宙廣闊的空間為測量光速提供了足夠大的距離,因此,光速的測量首先在天文學上取得了成功。
  • 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。
  • 漫談真空中光速的精密測量
    在光的傳播速度是否有限的問題上,物理學界曾經有過爭執,德國天文學家克卜勒和法國數學家笛卡爾都認為光的傳播不需要時間,是在瞬時進行的。但義大利的物理與天文學家伽利略卻認為光速雖然傳播得很快,但卻是有限,並可以測定的。這三位偉大的科學家(圖1)的爭論,伽利略準備用實驗來給以回答。
  • 光速這麼快,是如何被人類測出來的?
    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。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。這一數據已經非常接近準確值了。
  • 要有光:人類是怎麼測量光速的?
    其中,對光速的測定在科學史上具有非常特殊而重要的意義,它打破了光速無限的傳統觀念,讓人們得以窺探到光的本質,推進了物理學的發展。光伴隨人類發展(wordpress)伽利略的兩個燈籠一直到17世紀,對於光是否擁有速度這一問題,科學界都還沒有定論。早在公元前4世紀,就有人提出,光是一種運動,必須花費一些時間來行進,因此,光是具有速度的。
  • 早期物理學是如何測量光速的
    早期關於光傳播的觀點測量光速的嘗試對狹義相對論的發展起到了重要的作用,事實上,光速是狹義相對論的核心。關於光速的最早記錄是在亞里斯多德的著作中,他引用了恩培多克勒斯的話,太陽的光到達地球需要一段時間,但亞里斯多德顯然不同意,甚至笛卡爾也認為光是瞬間傳播的。
  • 光速測量路上的裡程碑
    1638年,伽利略嘗試測量燈光在空氣中的傳播速度,這個實驗是這樣的:讓兩個人站在一起或者相隔一英裡,其中一個點亮手中的燈,另外一個記錄看到燈光的時間,如果能夠發現時間差,就能證明光是有速度的。毫無疑問,這樣的實驗是不會取得任何結果的。
  • 勇於探索的人——測量光速
    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。
  • 如何使用微波爐測量光速?
    微波爐是生活中很常見的一種電器,而光速(指真空中的光速)是物理中最為重要的常數之一。
  • 如何理解光速不變?從兩個著名實驗來理解!
    將這個問題套用到自然界,就是為什麼自然界呈現在我們面前的是大千世界,存在著各種性質迥異的不同事物呢?面對各種變化萬千的世界,我們應該如何認識並梳理這一雜亂無章的世界呢?在經典力學時期,在天文觀測方面,人們就面對著兩個完全矛盾的實驗。它們是雙星實驗和麥可遜-莫雷實驗。
  • 「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?