我們究竟該如何測量光速?看看科學家怎麼說

2020-12-04 天文在線

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?因為我們知道那是準確的數據,是被定義的數據,然後我們再次得出數據(在一定時間內,一定數量的銫-133原子的輻射能量在超高精度地轉化後消失),從那裡我們定義了公尺(現在的米)。所以說,需要去做的測量只是一公尺有多遠而已。

我們將光速定義為固定數值,因此所有的測量人員都可以用它來定義自己測量的長度尺寸。測量光速,需要外部的定義,也就是一米有多遠,直到大約1970年,才真正有個界定,實想用這個外部距離定義來測量光速,是很容易實驗的,你只需要對著鏡子釋放一束光脈衝(釋放時刻設為t=0),直接測量返回時所用的時間。這是雷達和聲吶技術的原理(只需接收,就可以測出距離和速度)。

這裡有一些背景知識:

公尺最初是在大約1799年定義的,他被定義為赤道和極點距離的110,000,000,從1889年起,「公尺」被定義為一根鉑棒的長度,它被放在巴黎的一個拱頂上。

從這一個米的定義(和第二個舊的定義),我們測量(使用鏡像計時方法,或基於天文觀測)光的速度大約為299792458,加上非整數位,以及來自測量誤差的誤差條。

最終,我們意識到,有一個米定義的東西,只有一個有點讓人摸不著頭腦。因此,我們試圖用一種任何人都可以複製的方式來定義它,而不必提及「標準物體」,因此,我們使用光速重新定義了儀表。

如今官方定義為:1299792458,即光一秒內在真空中傳播的距離。用銫定義秒,因此,這與將光的速度定義為上面給出的數字完全等價。我們選擇了這個數字(而不是像300000000這樣更方便的數字),因為這個數字改變了米的定義,只改變了百分之零點幾,但整數y使一切都變得美好。使用這個定義的一個結果是,任何測量光速的嘗試都是周期性的;必須使用「米」在某個依賴光速的點上來測量光速。因此,當你「測量」光速(真空中)時,你現在實際做的是「測量你的測量儀器有多精確」。

科學家究竟如何測量光速?

真空中的光速為每秒299792458米(約3×108M/s,或30 000公裡/秒(186萬英裡/秒)),是一個普遍的常數。我們可以用許多方法來近似這個常數,並且根據選擇的方法可以改變接近實際值或不確定度的程度。以下是基於結果不確定度的方法列表,按降序排列。

天文測量:這是在1600年後期首次使用的方法,以地球和太陽之間的距離來定量測量光速,因為這只是一個近似值,結果是光從太陽到地球需要22分鐘。這使得光速為2.2×108m/s,比實際值低26%。

飛行時間技術:在這種方法中,一個測量光束到達兩個放置在遠處的鏡子(在希波利特·菲佐的實驗中是8公裡)和中間的旋轉齒輪所需的時間。該方法得到的光速值為3.15×108m/s。

空腔共振:在這種方法中,我們使用頻率和波長之間的簡單物理關係來測量速度(關係為c=fλ),但對於該波長或頻率,應首先知道。如其他答案所述,微波爐的方法屬於這一類。由埃森-戈登史密斯公司進行的實驗結果表明,速度為2.99792±9×108m/s,誤差為1.400969-6。

圖解:通過觀察木星掩食木衛一的時間來判斷光速

幹涉法(使用雷射):雷射是相干光源,在測量光的速度方面具有最高的精度。美國國家標準與技術研究所於1972年採用該方法測量真空中的光速,不確定度為3.5×10-9。

圖解:幹涉測量法的原理。左:相長幹涉;右:相消幹涉

在所有這些不同的方法中,人們可以簡單地看一下麥斯威爾(在他的1861篇論文中)給出的電磁波方程(光是一個方程)給出的值。c=1ε0μ0√=2.998×108m/s。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.forbes-墨舒寒

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