光速是如何測量的——科學家的奇思妙想讓人驚嘆!

2020-12-05 懷瑾愛科學
光速是如何測量的

光速是宇宙中最快的速度。愛因斯坦認為，任何有質量的物體都不能達到或超過光速。那麼光速是如何測量的呢？不同時期的科學家們都對光速的測量充滿了好奇，它們通過自己的奇思妙想一步步的把光速測量的越來越精確。讓我們按時間順序，逐一介紹不同時期的科學家是怎麼測量光速的吧。

伽利略

第一個想要測量光速的人是大神伽利略，可惜因為受到當時技術的限制，他沒有成功。伽利略錯誤地估計了光速的大小，他把光速想的太小了。不過在那個時代能想到測量光速，已經是非常了不起的事情了。

伽利略的方法非常簡單，就是安排兩個人站在兩座山頂上，兩個人手裡都拿著一盞燈和一座鐘表。當到達規定的時間時，其中一個人打開燈的遮光板，對面山頂上的人看到燈光後馬上打開自己燈的遮光板，第一個人看到對面燈光後，記錄時間。這樣，兩倍山頂的距離除以時間差就是光速了。

伽利略的想法是好的，但是結果當然不可能正確。因為伽利略沒有意識到光速是如此之大，僅靠兩座山的距離難以得出有意義的結果。另外，人的反應時間相對於光速來說實在是太長了。

羅曼-惠更斯

羅曼是來自丹麥的天文學家，他發現木星的衛星（木衛一）的投影有周期性的變化。羅曼根據木衛一周期性的設計了一個巧妙的實驗，步驟如下：

1.從地球上看，每當木衛一轉到木星背面後便被木星掩食，可以把開始掩食的一瞬間作為每個周期的參照時刻。測量一次掩食的參照時刻到下次掩食的參照時刻之間的時間間隔，便可以得到木衛一公轉周期。2.由於地球和木星之間的距離不斷變化，使得木衛一相鄰兩次發出的參照時刻的信息到達地球的路程也不斷變化。把在這段時間間隔裡，地球和木星之間的距離變化稱為「1周路程差」，相應地，把1周路程差除以光速稱為「一周時間差」。3.當地球沿著自己的軌道轉到太陽在木地中間時，它與木星之間的距離最長。當地球轉到背向木星的一側時，兩者距離最小。地球軌道上這兩個點之間的直線距離近似的為地球與太陽距離的一倍，這一距離也正是地球這半年裡所有的「1周路程差」的總和。而這段時間裡所有的「1周時間差」，羅曼已經通過持續觀察得到了。

於是乎，惠更斯根據羅曼的數據算出去了光速約為22.5萬公裡每秒。（筆者後記：如果你能一遍看懂這個設計，你一定是個天文學的天才！我看了三遍。）

斐索

斐索設計了旋轉齒輪法來測量光速，這可以說是一個精妙絕倫的設計，它使人類第一次較為精確地測量出了光速。不得不佩服科學家的巧思，讓我們來一起看看他是怎麼做的吧，見下圖。

按上圖所示，一束很細的光經過一個半透明的鏡子沿平行於軸的方向射出，碰到對面的鏡子後又反射回來。如果此時能夠通過齒輪，則會被半透鏡後的人觀察到。現在讓這套齒輪系統以高速轉動，從第一個齒輪的齒縫射入的光線，總是需要一些時間才能反射回來，第二次到達齒輪。如果在這段時間內，這套齒輪系統恰好轉過半個齒，那麼，這束光線就能通過第二個齒輪了。

如果這套齒輪的轉速提高一倍，那麼，光線在到達第二個齒輪時，正好射到轉來的齒上，光線就又被擋住了。但轉速再提高時，這個齒又會在光束到達之前轉過去，相鄰的第三個齒縫恰好在適當的時刻讓光線射過去。因此，如果知道光線出現和消失（或從消失到出現）相應的轉速，就能算出光線在兩齒輪間傳播的速度。

為降低所需的轉速，可讓光在兩齒輪間多走些路程，這可以藉助圖 上所示的幾面鏡子來實現。在這個實驗中，當齒輪的轉速達到 1000 轉每秒時，斐索從靠近自己的那個齒輪的齒縫間看到了光線。這說明在這種轉速下，光線從這個齒輪到達另一個齒輪時，齒輪的每個齒剛好轉過了半個齒距。因為每個齒輪上有 50 個完全一樣的齒，所以齒距的一半正好是圓周的 1/100。這樣，光線走過這段距離的時間也就是齒輪轉一圈所用時間的 1/100。再把光線在兩齒間所走的路程也考慮進來進行計算，就可以得到光速。

斐索算出的光速為 313 000 公裡每秒，這一結果已經非常接近今天的結果。

傅科

旋轉鏡法測量光速，而且精度頗高，所測定的光速為29.8萬公裡每秒。此方法與上面的方法類似，這裡就不多做介紹了，因為下面要介紹一個比較重要的光速測量實驗。

傅科實驗效果圖

麥可遜

麥可遜改進了傅科的方法。如下圖所示是麥可遜用「轉動八面鏡法」測光速的實驗示意圖，圖中S為發光點，T是望遠鏡，平面鏡O與凹面鏡B構成了反射系統。八面鏡距反射系統的距離為AB＝L（L可長達幾十千米），且遠大於OB以及S和T到八面鏡的距離。

麥可遜測光速實驗

使八面鏡轉動起來，並緩慢增大其轉速，當轉動頻率達到fo並勻速轉動時，恰能在望遠鏡中第一次看見發光點S，由此麥可遜測出光速c=2L÷（2π×1/8×1/fo) =8Lfo/π 。如果在望遠鏡中能看到發光點，則說明，光線由發光點發出後，經過八面鏡，凹面鏡和平面鏡的反射，也就經過圖中的路線，即走了2L的距離，此時八面鏡正好轉動了1/8周。這段時間是2π×1/8×1/fo ，fo是八面鏡的頻率。

現代光速測量方法主要有光拍法和光纖測量，由於這些方法的原理過於複雜，在這裡不一一介紹了。

除了上面介紹的這些方法外，歷史上還有很多為光速測量而做過努力的科學家們，比如1928年，卡婁拉斯和米太斯塔德首先提出利用克爾盒法來測定光速。1951年，貝奇斯傳德用這種方法測出的光速是299793千米/秒。 1950年，艾森提出了用空腔共振法來測量光速。

目前，科學家計算出的最精確的光速都是通過波長和頻率求得的。時至今日，人們得到的最精確地光速值為

c=299792458m/s。

相關焦點

  • 光速這麼快,這麼來測量?科學家充滿奇思妙想
    科學家伽利略決定要這個懸而未決的光速問題找一個答案。測量一下光的速度。他的實驗是這樣設置的，兩個人分別在兩座山的山頂，當一個人打開一盞燈，另一個人看到光之後，迅速打開另外一盞， 通過計算兩座山的距離除以時間間隔，就得到了光速。
  • 光速究竟多少? 科學家是如何測量光速的?
    川北在線核心提示：原標題：光速究竟多少？ 科學家是如何測量光速的？ 光速是物理學中的一個最基本常數，也是物體運動的速度上限，那麼科學家是如何來測量光速的呢？ 實際上，科學家不測量光速（這裡總是指光在真空中的速度），而是科學家知道光的速度是多少。
  • 科學家的奇思妙想：5300年前的木乃伊開口說話，會說什麼？
    但是你絕對也想不到5300年前的木乃伊居然可以「開口」說話了。木乃伊都能「開口」，是不是意味著在製作過程中賦予了某種「魔法」嗎？讓我們一起來看看，一具木乃伊是如何製作的？在古埃及人看來，人死之後，肉體與精神是分開的。肉體死亡，但是精神不會死亡。只要自己把前世所做的罪惡之事洗清，靈魂終究會回到肉體上來，從而復活、永生。
  • 自由創作中誕生的的奇思妙想
    奇思妙想在自由的發展中誕生......來看看孩子們自由運用材料創作的作品吧！只是，千萬別以成人的固有的眼光來進行評判哦！否則，你會無法了解到孩子真正的想法，無法理解從孩子們腦海中與手中，誕生的是怎樣的作品。
  • 華科的奇思妙想——來自華中科技大學學術前沿青年團隊的調查報告
    因為隔三差五開科研會，鼓勵奇思妙想、天馬行空，圈裡圈外都私下把學術前沿青年團隊稱為「奇思妙想團隊」。蘭鵬飛經常和團隊兩位80後教授周月明、黎敏一起在超快光學實驗室工作到深夜，但每周在科技樓5樓學術討論室舉行的「神仙會」依然雷打不動。「現在我們不僅僅是滿足能給電子拍照，還要多嘗試用雷射操控電子的速度。」
  • 奇思妙想學生發明了「雨衣頭盔」
    奇思妙想學生發明了「雨衣頭盔」 深圳這段時間的天氣 真的是又雨又風又太陽 上一秒豔陽高照 下一秒傾盆大雨
  • 奇思妙想:長安引力有何與眾不同
    其中,長安引力作為長安汽車寄予厚望的重磅車型,更是採用了許多奇思妙想的設計,在國產緊湊級SUV產品線中顯得十分搶眼。 其次,長安引力還將創意構思用於提升車艙內實用性上,更是讓人拍案叫絕。比如長安引力的懸浮式擋把拓寬了前排地臺的臺面空間,使駕駛者可以更加順手地放置卡片、零錢、手機等扁平物品。此外,長安引力的前排地臺還採用了鏤空式設計,在主、副駕之間掏出了一個足以放置挎包、PAD之類中型物品的儲物空間,並提升了主副駕的空間交流。
  • 「奇思妙想」短視頻大賽即將開啟，讓我們打開科學的奇幻之旅
    你也曾在生活中產生了許許多多的奇思妙想嗎？生活是科學萌發與生長的土壤，科學是生活量變與質變的催化劑，那些看似高深莫測的理論、遙不可及的技術，也許就來源於我們身邊的一草一木。那些看似平平無奇的事物、容易忽略的現象，其中說不定大有文章、奧妙無窮！
  • 演繹inSite | 實驗室裡的奇思妙想
    所有人都知道科學是未來，所有人也都相信科技會創造奇蹟。但當我們說起科學與科技，最先會想到什麼呢？實驗室裡的奇思妙想？科學技術研究項目開始成為高額獎金池裡的彩票？許多人討論科學與科技，是腦洞大開的未來想像。比如 「火箭」、「火星上有水」、「冷凍大腦」、 「意識上傳」等，就像是一場場美麗的煙花，在夏天的夜晚，三五好友啃著冰鎮西瓜，一起拍手叫好，然後各回各家，第二天起來，我們仍與之前並無差別。
  • 從100幅垃圾分類宣傳畫裡,看到武漢小學生的奇思妙想
    長江網12月29日訊（記者王慧純 通訊員金輝）「環保號」機械恐龍吸入垃圾，在肚子裡分類；灰暗天空在垃圾分類後變成蔚藍晴空；一張四色分明的飛行棋盤，玩著玩著就能學會垃圾分類……29日上午，「垃圾分類·江城童行」頒獎典禮在武漢市常青樹實驗學校開幕，展出的100幅優秀作品展現出武漢小學生令人驚嘆的奇思妙想
  • 發揮奇思妙想濟南七中舉行DNA大賽
    為讓學生將抽象知識形象化，濟南七中生物組發揮奇思妙想，組織學生利用日常用品動手製作DNA結構模型，並將這變成了一場製作大賽。參賽學生說，這次模型製作活動不僅讓他們複習了所學知識，也讓人嘆服於生命的精妙和偉大。　　（新時報記者柴穎穎 通訊員肖雲龍）
  • 四年級下學期第二單元習作,我的奇思妙想——時空記憶球
    所以本單元的習作，也是要我們來完成這樣一篇類例的習作，我的奇思妙想。這篇作文，雖然是奇思妙想，但並不等於幻想，是要立足於一定的現實基礎上的。從既有的現實中，去觀察和發現存在的不足，不便之處，通過我們的發明創造，讓這個不足和限制，得到補足和改進，這也是本篇作文的題旨。
  • 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？
  • 奇思妙想大比拼!這場創業大賽總決賽「金點子」頻出
    在「半潛船」上360度全景欣賞水下世界、用異型膠囊替代塑料包裝、操控機器人進行心內科手術……這裡，是「金點子」激情碰撞的舞臺；這裡，是奇思妙想的盛會。12月12日，「奇思妙想浙江行」2019創業大賽總決賽在杭州舉行。
  • 奇思妙想|假如地球自轉速度提高兩倍(第2期)
    這意味著，我們必須重新適應我們的生活，我們每晚不再能睡8個小時，大多數人只能睡4個小時，就像現在熬夜時一樣……更恐怖的是，赤道風將向東偏轉，它會在颶風形成時以更快的速度旋轉，所以颶風會顯著加強。這一期的奇思妙想就到這啦，咱們下期再見~歡迎關注小學渣，小學渣會持續推出更多優質內容。如果你有什麼奇思妙想或者稀奇古怪的問題也歡迎私信小學渣~
  • 我愛科學,快看恆口示範區小學生的奇思妙想作品
    一張張方格紙上爬滿了孩子們天馬行空的想像和一些奇思妙想的設計，展現了孩子們對科技的熱愛和嚮往；一隻只神奇的畫筆、繽紛的色彩，在卡紙上描繪著各式各樣的現代科學技術、航天技術、未來世界的奇思妙想……，讓參觀的同學和老師讚不絕口。在閉幕式上，學校對本次科技節湧現出來的優秀而富有才氣的30名同學和優秀集體予以表彰。
  • 對電路圖的奇思妙想,如何解答經典的電路問題
    圖一上邊圖一就是著名的被老師們親切地稱為「橋式」電路，這個「橋式」電路是由一個普通的串聯電路演變而來，平時做題時要「想」。這種「想」不是毫無邊際的「遐想」，而是有著某種「意圖」的聯想，比如圖一中我們把一個電阻R5加在兩個串聯電路的中間會是怎樣的情況？我們來看電路圖一。第一個問題，電阻R5有沒有電流經過？
  • 引力的傳播速度是光速,科學家是如何測量出來的?
    在愛因斯坦的相對論中，光速是恆定的，並且是不可超越的，但在宇宙間能夠達到光速的不僅僅只有光，還有引力、磁場和電場，同樣它們也能以光速進行傳播。按照牛頓的經典力學來說，引力是瞬間作用的，不過愛因斯坦卻認為引力波與光速一致，而後來終於有科學家們證實了引力波的速度，與光速達到了一致。
  • 我們是如何走到今天的?冰王的奇思妙想
    冰王的奇思妙想「 冰王」圖德出生在冬天十分寒冷的波士頓，在當地的冬天，人們有一種特殊的習俗，將冬天湖水中的冰塊儲存在地下室的冰庫裡面，到夏天來臨時，便可以用冰塊製作各種各樣的冰凍飲料和冰淇淋，幫助人們度過炎熱的夏天。這其實是與常識相悖的，一般人認為冰塊保存不了這麼長時間，但圖德敏銳地意識到，如果讓冰塊遠離太陽照射，儲存在陰暗的地下室裡，冰塊完全可以保存到初春。
  • 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。因為光速每秒約30萬千米，1英裡才約1600米，光速傳輸只需要18.75萬分之一秒，人眼和動作完全無法做到這樣靈敏的反應。但他們和社會也有收穫，那就是知道了光速比想像中的快多了。伽利略說，即便光速是有限的，也一定快到不可思議。