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人类是如何测量出光速的?

真空中的光速可以说是自然界里物体运动的最大速度了。目前科学界公认的光的速度是299792.458 km/s,也就是在一秒的时间里,光可以跑绕地球赤道7.48圈。

既然光“跑”得这么快,光速究竟是怎么测出来的呢?

17世纪以前,人们一直以为光的速度是无限的,开普勒和笛卡尔都对此深信不疑。但伽利略却提出了不同的观点,他认为,光的速度虽然很快,但仍是有限的,并且是可以测量出来的。

人类是如何测量出光速的?

为了证实自己的猜想,1607年,伽利略设计了世界上第一个测量光速的实验。他让A、B两个人分别站在相距1.5千米的两座山的山顶,想利用两个山头看到灯光的时间差来测算光速。但由于间隔的时间太短了,根本无法精确测出。最终,伽利略的实验以失败告终,但他却开启了人类测量光速的真理之门。

木星的公转周期为12年,每当木星的卫星绕木星一周,就会在进入木星影子处发生一次“蚀”。这类似于月蚀,当木星运行到卫星和太阳中间时,木星的“卫星蚀”就会发生。

1676年,丹麦天文学家罗默对木星的这颗卫星进行了长期的观测。他发现,实际看到卫星蚀的时间都比推算的时间要晚了十几分钟。他认为,这是因为地球与木星的距离在逐渐增大,所以光传到地球的时间也相应延长了。因此,罗默推断,光的速度是有限的。他还算出,光走过与地球轨道半径等长的距离所需的时间为11分钟。

罗默预言,原本应在1676年11月9日上午5时25分45秒发生的木卫蚀将推迟10分钟。最终的观测结果证实了罗默的猜想。而后,又经过多番验证和矫正,著名科学家惠更斯利用罗默的理论,计算出了科学史上的第一个光速值:214000km/s。

第一个在地面上测出光速的人是法国物理学家斐索。他设计了一个巧妙的装置——旋转齿轮,以此来测定光的速度。

人类是如何测量出光速的?

“旋转齿轮”由一个齿轮、一面镜子和一面半透明镜组成。光源发出后,会经半透明镜反射到镜子上,而镜子又会再将光反射进观测者的眼睛中。这中间,有一个齿轮,当它开始旋转时,就会将反射到人眼中的光切割成一段一段,人们因此会看到闪光。通过齿轮的转速和光的路程,就可以计算出每次闪光的速度。

迈克尔逊从1879年开始就在从事光速的测量研究,直至1926年,持续了大约50年。他总结了前人的不足,设计出“旋转八面棱镜法”来测量光速。

人类是如何测量出光速的?

在“旋转八面棱镜法”中,迈克尔逊用一个正八面钢制棱镜代替了旋转镜法中的旋转平面镜,从而延长了光的路线;用精确测定的棱镜转速代替了齿轮法中的齿轮转速,从而减小了时间测量的误差。在这个实验中,迈克尔逊计算出光的速度是299796km/s,这在当时被认为是最精确的记录,而迈克尔逊也因此成为了1907年诺贝尔物理学奖的获得者。


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