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TUhjnbcbe - 2024/7/16 0:15:00
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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.km/s,也就是在一秒的时间里,光可以跑.千米那么远,约等于绕地球赤道7.48圈。

既然光“跑”得这么快,那科学家们又是怎么得到如此精确的数字的呢?光速究竟是怎么测出来的呢?

伽利略——意识到光有速度第一人

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。

伽利略画像

来源:网络

为了证实自己的猜想,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。

罗默——天文法测量第一人

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。

木星

来源:网络

但事实上,人们看到卫星蚀的时间是不断发生变化。这显然说明,地球和木星的位置在不断变化,地球和木星的距离也不是一个定值,不仅如此,这种现象的出现还与光的速度有关。

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

来源:网络

罗默预言,原本应在年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:km/s。

斐索——地面实验的探索者

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。

旋转齿轮

“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。这种方法虽然存在不足,但却是光速测量史上的开创之举,为后来的测量工作奠定了基础。

迈克尔逊——光速测量的集大成者

迈克尔逊从年开始就在从事光速的测量研究,直至年,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。

旋转八面棱镜法

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km/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年诺贝尔物理学奖的获得者。

迈克尔逊

来源:网络

光速测量新时期

自从迈克尔逊之后,光速长达多年的测量探索暂时告一段落。直至年,对光速的测量进入了一个崭新的阶段。新的实验技术和实验方法层出不穷,光速也越来越精密,最终成为物理学界的一个定义值。

年和年,美国的安德生先后两次测量光速,最后利用克尔效应测出光速为km/s。

年,阿斯拉克逊用雷达测量电磁波的速度,其结果为km/s。

年,英国实验物理学家弗罗姆用微波干涉仪测量光速,具有极高的精密度。用这种方法测得的光速为km/s。

年,激光应运而生。

年,美国标准局埃文森等人用测量激光频率和真空中光的波长的方法,测得光速为.km/s。而这一数值也最终在年召开的第五届米定义咨询委员会和年召开的第十五届国际计量大会被作为国际推荐值使用。

光速经历了多年的测量之旅,终于有了定论。在探究过程中,科学家将理论与实践、计算与测量完美结合,最终获得了精准的光速数值。

光速的确定,不仅影响了单位“米”的定义,更是对进一步的研究提供了帮助。像光速、“米”这样的标准单位看似平淡无奇,但它们却见证了人类文明的进步。科学无所限,人类探索世界的旅程,才刚刚开始。

创作团队:中国科学技术馆新媒体团队

审核专家:李永乐北京人大附中物理教师、知名科普博主

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