光速大约每秒30万公里,如此快的速度到底是如何测量的?

路昭观看科技 2024-10-29 03:41:24

在物理学的广阔天地里,光速的概念犹如璀璨的北斗,指引着科学家们在相对论的领域中不断前进。狭义相对论的建立,光速作为其中的枢纽参数,构筑起我们对宇宙的现代理解。对光速的准确测算,映射了科学从古老传统迈向当代先锋的历程,亦是我们对自然界不断深化认知的缩影。

遥想古代,人们对光的性质并无深入的了解,误以为光的传播无须时间,瞬息万变。这种观念源于那时人类对自然界的认知尚浅。然而,今日之中仍有人固守此类错误观点,则只能归咎于他们的无知与固执。试问,若整个社会沉浸在这种停滞不前的氛围中,又怎能盼来进步的曙光?

科学家们在追求光速精确测量的道路上,耗费了无尽的心血。他们历经数百年的艰辛探索,才逐步揭示出光速的真面目。

伽利略,这位科学的先驱,率先尝试对光速进行测量。他采用的方法虽然简陋,却颇具启示意义。他设想两人各站一山头,相隔一段距离,一人遮挡光线,另一人则根据遮光的时刻点亮自己的灯。他们原本以为,通过这种方式便能测算出光速,然而结果却以失败告终。因为他们低估了光速的惊人速度,人类的反应远远赶不上如此微小的时间间隔。

尽管如此,伽利略的尝试并非毫无收获。至少他们证明了光速远比想象中迅捷。伽利略本人就曾表示,哪怕光速是有限的,那也必定是极速。更重要的是,伽利略的实验打破了关于光速无限的陈旧观念,开启了人类对光速精确测量的不懈追求。

奥勒·罗默,这位丹麦的天文学家,是第一个使用科学手段测量光速的人。他通过观察木星与木卫一之间的行星掩星现象,结合太阳与地球的相对位置,经过数十年的观测记录,得出了第一个科学的光速估值。1676年,他将结果提交给法国科学院,尽管该数据与实际光速存在偏差,但后世的科学家们认可他的观测过程本身是科学且精确的,只是由于当时的数学计算手段和对地球轨道半径的测量不够精确,才导致误差。如今,使用他所测量的各参数重新进行计算,得出的光速数值已与真实值十分接近。

在罗默之后,光速的测量技术沉寂了百余年,直至1849年,法国物理学家阿曼达·菲索重启了这一探索。他采用的方法更为先进,即齿轮遮光法。菲索所用的装置由光源、旋转的齿轮遮光板、8公里外的反光镜以及透镜等构成。通过计算反射回来的光通过齿轮空隙的次数及齿轮的转速,便能得出光速。此方法与伽利略的实验原理相似,但通过反射镜将光线传输距离拉长,并采用机械控制,从而减少了误差。不过,由于齿轮的齿具有一定宽度,导致测量的精确度受限,最终得到的光速数据为315000千米/秒。

此后,科学家们继续对菲索的实验装置进行改进。例如,1862年,法国物理学家莱昂·傅科将旋转齿轮遮板替换为旋转平面镜,使得光速的测量更加精确。1926年,美国人马尔克逊采用傅科的方法,将反射镜间距拉长至36公里,测得的光速为299796千米/秒。然而,依靠原始的室外直观实验方法,要进一步提高光速测量的精确度变得愈发艰难。

在此背景下,人类的实验场所由室外转为实验室,寻求更精细的测量手段。1972年,美国科学家在实验室中利用激光干涉法测量出了最为精确的光速,为299792456米/秒。这种方法通过将一束已知频率的激光分为两束,通过不同路径后合并,通过观察干涉图样并调整路径长度,从而计算出精确的波长,得到最精确的光速。理论上,这种方法无误差,唯一不确定的是对“米”的定义,这导致了微小的误差。为了消除这一误差,1983年在第17届国际度量衡大会上,人们重新定义了“米”,使其等于光在1/299792458秒内所走的距离。如此,光速成了一个整数,与米的尺度相统一,使光年成为一种标准的测量单位。

正是经过一代代科学家的不懈追求,光速的测量才达到了如今的精确度,成为现代物理学的基石之一。而那些固执地认为光速无限,或者认为“眼光”才是最快速度的人,他们的思想还停留在遥远的古代。

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