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真空光速每秒299792.458千米,科学家为此努力了三个多世纪

 kanglanlan 2019-10-31

太阳给予了地球诞生生命的可能,因为阳光是生命进程中不可或缺的一环。除此之外,光也给予了人类无穷的想象,净澈的星空深处是否存在着琉璃般璀璨的遗迹,广袤地表的某个角落到底发生了怎样神奇的故事。。。而这一切的惊喜都可以由光为我们带来。

真空光速每秒299792.458千米,科学家为此努力了三个多世纪

光可以带来信息,一个很自然的疑惑也随之而来:

光有速度吗?如果有,那么速度是多少呢?

我们现在知道,光的速度大约在每秒30万公里,这是一个相当惊人的数值,要知道我们脚下那硕大的地球,其直径不过一万两千多公里,也就是光可以在一秒内横穿25个地球。那么如此惊人的速度,人类又是凭借怎样的聪明才智去测量出来的呢?

1607年伽利略准备了一项实验,想以此来证明光速有限以及光速的数值大小(在十七世纪以前,很多人认为光的速度是无限大的)。

在相互距离已知的两个山顶上,各留一个人,每个人手中提一盏灯,随后其中一人将自己手中的灯光遮掩,而另一人则在观察到灯灭后,随即将自己手中的灯遮掩,之前那人则记下从自己遮掩灯光后,再看到另一个灯光消失之间的时间,最后利用已知距离,求出光速。

这个实验在今天看来是相当粗糙的,虽然原理并没有什么错误,但由于人的反应时间等因素,结果可想而知。

1676年丹麦科学家奥勒·罗默首次证明了光速有限以及给出了光速的数值。

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这个证明是基于天文观测的,利用木星的卫星——“木卫一”会发生卫星蚀的现象,所谓卫星蚀就是指卫星被环绕天体所遮掩,无法受到阳光照射的现象,如下图,A是太阳,B是木星,CD那块阴影就是照射不到阳光的区域,当木卫一进入那块区域时,地球观测者就无法看到木卫一了。

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地球轨道为标有字母EF等的那个圈,奥勒·罗默观察到一个现象,当地球位于木星和太阳之间的轨道时,与地球在轨道另一侧时相比,木卫一卫星蚀的时间时不一致的,前后相差了有十多天。

如果认为光速是有限的,那就能很好的解释这个现象,在这个基础上,奥勒·罗默进一步的计算出光速的数值大约为每秒21万公里左右。这个数值在今天看来,虽然数量级对上了,但数值相差还是比较大的,然而不可否认的是,在三百多年前首次测出的光速能有这样的精准度还是可以的。

之后还有科学家提出利用恒星的光行差测量光速,进一步提高了光速的精准度,但这些方法毫无例外都是利用天文观测为基础,那么我们难道就不能在直接在地球上给出光速数值吗?

1849年,法国物理学家阿曼德·斐索利用齿轮、镜片等等看似简单的器材却完成了人类首次利用地面环境测量光速的实验。

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下面就是实验的示意图,简单来讲,先是光源发出的光经过齿轮传播到后面的反射镜片上,而后再从镜片反射回齿轮,由于齿轮是不透光的,因此光线只能从齿轮缝隙间传出,如果我们让齿轮转起来,那么反射回来的光就是忽闪忽暗的状态,利用齿轮转速、齿轮齿数、齿轮与反射镜之间的距离等已知条件,我们就能算出光速大小。

真空光速每秒299792.458千米,科学家为此努力了三个多世纪

最终测下来的结果是每秒31.5万公里,这一数值相比于今天的30万公里可以说是相当接近了。

再比如1860年傅科的旋转镜法、1879年开始的迈克尔逊的旋转棱镜法,这两种方法都进一步的提高了测量值的精准性,尤其是迈克尔逊的旋转棱镜(迈克尔逊花了50年时间,不断的进行实验),其最精准的测量结果是299796±4千米每秒,这个同我们现代测量的结果299792.458千米每秒,误差不过0.0012%,精准度可见一斑。

真空光速每秒299792.458千米,科学家为此努力了三个多世纪

迈克尔逊

真空光速每秒299792.458千米,科学家为此努力了三个多世纪

旋转棱镜法

进入20世纪以来,科学家们对光速有了更多的测量方法,比如克尔盒法、空腔共振法等,这里就不多做讲解了。

从伽利略对光速有限的证明开始,历经三百多年,在求证的道路上,越来越多的科学家都为此做出过贡献。这样的例子在科学史上还有很多,这种坚持不懈、严谨求真的科学态度是人类科技发展至今的保证,值得敬佩。


本篇文章的内容到此结束。

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