光的速度這麼快,是怎麼測出來的,又是誰第一個測出的?

2021-01-09 騰訊網

問:誰第一個測出了光速?他是什麼時候發現的呢?又是通過什麼方式呢?

圖解:光從離開太陽表面算起,需大約8分17秒才能到達地球。答:從古希臘時期,科學家們就開始研究光速。大多數的古希臘天文學家相信,在所有事物中,光速是無窮快的。但是他們沒有方法來驗證這個似乎有道理的猜想。所以直到16世紀早期之前,人們普遍認為這樣的猜想是正確的。而伽利略的出現改變了這一切。

圖解:朱斯託·蘇斯泰曼斯所作的伽利略肖像伽利略試圖通過使用帶擋板的燈籠測量光速。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。)

第一次正確測量光速是在1676年由一個叫做奧勒·羅默的人完成的。當時羅默正在觀察木星的衛星木衛一,它位於伽利略衛星的最深處。正如地球上的觀察者所見,當木衛一移動到木星的陰影中時,它會突然消失,而當它移動到木星的陰影之外(回到陽光中)時,它會重新出現。羅默對預測木衛一從木星陰影中出現的時間感興趣。他的目標是利用這些觀測結果更準確地確定木衛一的軌道周期;而並沒有試圖確定光速。

羅默注意到,隨著地球越來越靠近木星,木衛一從陰影出現的時間變得越來越短,反之亦然。他意識到通過觀測和計算出的木衛一出現時間之間存在差異,而這可以用光的速度是有限的來解釋。由於在羅默的觀測過程中,地球正在遠離木星,所以從木衛一反射回來的光到達地球的時間會稍長一些,這將影響觀察到木衛一從木星陰影中出現的確切時間。

圖解:這是按照羅默的1676年繪圖重新繪製的版本。在羅默論文裡,他比較木衛一軌道周期的兩個時間間隔:一個是地球在朝向木星運行時的木衛一軌道周期(有向弧FG的方向),另一個是地球背向木星運行時的木衛一軌道周期(有向弧LK的方向)。基於這些觀察,羅默計算出光穿越地球公轉直徑的距離大約需要22分鐘。將該值與地球半長軸(軌道半徑)的早期測量值相結合,給出了大約每秒210,000公裡的光速。這大約比光速的現代值低30%,但是考慮到它的古老性、測量方法和17世紀行星軌道精確尺寸的不確定性,這個值非常接近每秒299,792.458公裡的現代值。

如今,任何人都可以使用網絡搜索真空中的光速,並在幾秒鐘內獲得準確的結果:299 792 458米/秒。但是到底是誰發現了光速,他們又是如何做到的呢?十六世紀初,伽利略是第一個嘗試測量光速的人。伽利略和一個助手各自站在不同的山頂上,他們之間有一段已知的距離,他們的計劃是讓伽利略打開燈的擋光板,然後讓他的助手看到伽利略發出的光的同時也打開他手裡燈的擋光板。

伽利略利用山頂之間的距離並用脈搏作為計時器,計劃測量光速。他和他的助手用不同的距離嘗試了這個方法,但是不管他們相距多遠,他都無法測量光傳播的時間。伽利略得出結論,光速太快,用這種方法是無法測量的。他是正確的。我們現在非常精確地知道光速,如果伽利略和他的助手在相距1.5千米的山頂上,光從一個人傳播到另一個人需要花費0.0000054秒的時間。所以伽利略無法用他的脈搏來測量光速是可以理解的!

圖解:光行差:由於光速有限,來自遠處的光會因望遠鏡的移動而產生視覺上位移。

參考資料

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