人类测量光速的历史是怎样的?光速是如何进行测算的?
高中 来源:网络 编辑:小蜜蜂 2019-05-27 10:38:47

  目前人类的科技上公认的较快的速度是光速,在日常生活中的一个显著的特点就是光的传播速度是比声音要快的,这个现象在日常很常见,所以就不举例说明。今天小编要给大家讲述的光速的测量的一个发展的历程,以及现代科技测量光速的方法是怎样的。而这个话题的源头还是需要从伽利略说起,一起来看看吧!

人类测量光速的历史是怎样的?光速是如何进行测算的?

  光速实在太快,自从伽利略测量失败后,很长时间内多数人认为光的速度无限快,少数人相信光速有限,但也认为我们不可能将它测量出来,因为它快。的确没错,光速是很快,每秒钟可以绕地球七圈半呢,只需一秒种多一点就能到达月球。

  NASA在月球上放了面镜子,只要知道精确坐标,就能从地球上发射一束激光照射到镜子上,然后你就能接收到返回的光,如果一切顺利,光子来回一趟地月之间也只需要大约2.5秒钟。

  失败的伽利略:1638年8月11号夜

  伽利略从披萨斜塔上扔下大小两个铁球,破除了亚里士多德的放心——重的比轻的落得快——,是中小学课本上常见的故事,但这个实验其实很可能并没有真正做过,而是后人杜撰的,并将之视为现代科学的开端。但伽利略肯定做过的一个实验是在深夜的两座山之间测量光速,伽利略是这样设计实验步骤的。

  1、选择一个没有月光的夜晚,伽利略自己和他的一个助手分别爬上已经进行过距离测试的AB两个山头,并各自携带一盏灯,将灯蒙上不让它漏光,并约定好实验时间

  2、A山上的伽利略自己先打开灯光的蒙布,同时按下计时器,让它开始走动

  3、B山上的助手看到A山传来的灯光后,立即打开自己手中灯光的蒙布(所以千万不能走神)

  4、A山上的伽利略看到B山传来的灯光后,再次按下计时器,让它停止走动

  5、进行光速计算。看起来只需要将两座山之间的距离*2/时间差,就能得到光速

  实验毫无疑问的失败了,因为光速实在太快了,远过人类的反应速度。结果就是,只要扣除人类的反应时间,伽利略发现真实时间差近乎为零,因此他没有依据这个简陋的实验给出光速的估值。此后,伽利略就放弃了测量光速这事儿。

  第一个测出有价值光速的人是奥勒·罗默:1676年12月7日

  丹麦天文学家奥勒·罗默是第一个真正测出有价值光速的人。在他成功之前,当时的物理学界认为光要么太快而无法测量,要么可能具有无限速度!罗默巧妙地利用了天文现象来进行光速测量,他想到了通过利用木星月亮的日食来测量光速,而木星的月亮还是伽利略发现的,但伽利略没有意识到可以利用木星的月亮来测量光速!

  木星有四个卫星是在地球上用天文望远镜就能观察到的,其中较内圈的卫星IO的轨道周期时间较短,大约只有1.769天(42小时27分21秒),在每年1月份进行观测时,这个时间是准确的,这个时候木星在天空中的位置较高,较容易进行观测。

  随着天文观测手段的进步,后来天文学家开始在别的季节观察木星,这时候他们发现木星卫星的轨道时间似乎在发生着变化,不再是42小时27分21秒旋转一圈,轨道时间似乎在延长,而且呈现规律性变化,从1月到7月轨道时间延长,从7月到1月轨道时间缩短。该如何解释这种现象呢?不仅IO是这样变化,其它木星卫星都这样规律的发生着变化。

  天文学家罗默首先想到了正确解释,那就是之所以会出现这样的变化有两个原因:

  1、首先光速是有限而不是无限的。

  2、地球相对于木星的距离在不断地发生着变化,1月时候地木距离近,7月时候地木距离长。其间大概差两个地日距离。

  因此罗默依据当时粗糙的地日距离的估算值给出了光速的第一个具有参考意义的估值,大约每秒钟20万公里,在罗默的基础上。

  第一个较准确的光速测定:1849年3月18日

  法国物理学家阿尔芒·斐索(Armand Fizeau)决定重复伽利略的方法,因为他想到了一个聪明而巧妙的主意,可以间接得到极短的时间间隔,这样就可以直接在地球上测量光速,不需要依赖天文学,因为各种天文距离的估算精度要想增强是很难的,利用这些天文距离来进行光速的估算必然带来很高的误差。

  费索同样选择了两个山顶,这两个山顶相距五英里(大约8.863公里),他没有把一个人类助手放在那座山上,而是在那里放了一面镜子,让光从第二个山顶上反射回来,然后通过另一面镜子让菲索看到这束反射回来的光。从闪光发出的那一刻到它返回的那一刻的时间差,就是光飞驰而过十英里所需要的确切时间,现在我们很容易地知道,这对光来说只需要短短的1秒/18,000。菲索也没办法直接测量这么短的时间,但他想到了一个绝妙的主意。

  他用一个齿轮挡在光束前面,光束只能通过齿轮的间隙,才能射出或者才能返回到他的眼中,当齿轮静止时,如果一束光穿过了齿轮的间隙后,那它就会飞到五英里外山顶上的镜子前,被镜子反射回来,然后又飞回菲索,这时候缝隙仍然存在,于是斐索就能看到光。现在让齿轮开始转动,当齿轮转速很慢时,你还能继续看到光,直到齿轮转速快到刚好让反射回来的光,射到齿轮的齿上,这时候有光从缝隙射出去,但反射的光却被阻挡住!此时进一步增强齿轮转速,实现出射光从上一个齿轮的间隙射出,反射光恰好从齿轮的下一个间隙返回。那么你就能通过计算齿轮旋转一个齿需要的时间计算出一个极短的时间值,这样你就能算出光速了。当然你需要一个能高速旋转的齿轮,还需要能知道齿轮的相对精确的转速,比如每秒钟转几圈。

  斐索据此算出人类第一个靠谱的光速:每秒钟196,000英里,换算为公制则为315,431.424 公里/秒,这比现在的约30万公里/秒的速度快了一些,这误差来自于测量两个山头的距离,以及齿轮的转速究竟是多少。

  第一个室内测量光速的方法:旋转镜法

  斐索的实验得到了另一位法国科学家让·伯纳德·里昂·福柯的帮助。在斐索成功之后,福柯改良了斐索的实验,福柯不使用齿轮,也不到室外的山头上去做实验,他直接使用两面镜子来测试光速,首先光射到第一面镜子上,这面镜子可以高速旋转,如果镜子的角度合适,那光就会被反射到第二块镜子上,然后第二块镜子又把光再次反射回第一面镜子,如果镜子的转速合适,第一面镜子会将光又反射到观察者所在的位置,这同样能确定光速,而且不需要跑到室外去做实验。由于能以更精确的方式旋转镜子,福柯测量到的光速为298000公里/秒,已经接近现代值了光在空气中的速度大约为299700km/s。

  福柯用他的这套设备做出的较重要的成就不仅是在室内测量出更精确的光速,而且他还用这套设备测量光在不同介质中运行的速度,比如他发现光在水中的速度被极大的减速,只有空气中速度的3/4,这个发现在当时被认为是彻底推翻牛顿光的微粒说的关键证据!

  至于电,当人们后来明白光就是一种电磁波的时候,的电磁波在真空中的速度都按同样的速度前进,电磁波在空间中不断发生电场-磁场的转换,因此这也意味着电场的传播速度是光速,当然需要注意,电线中电子的实际运动速度不是光速,不过这已经是另一个话题了。

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