170多年前测量光速的方法,可谓是天才的构思!

魅力科学君 2023-09-24 17:49:54

在现代物理学中,光在真空中的速度已经被精确地确定为每秒钟299792458米,以这样的速度,1秒钟的时间,大概就可以围绕着地球赤道跑7圈半。

显而易见的是,想要测量如此快的速度,难度是相当高的。不过早在170多年前,就有人利用一种巧妙的方法测量出光速大约是每秒钟31.53万公里,尽管测得的光速与实际情况存在着一定的误差,但以当时的条件来讲,这已经非常难得了,甚至可以说,170多年前测量光速的方法,可谓是天才的构思。下面我们来看看这具体是怎么回事。

在几百年前,人们对光的速度存在着两种不同的观点,有人认为光的速度是无限的,无论多远的距离,光都可以瞬间抵达,也有人认为,光的速度是有限的,只是特别快而已。这两种观点争论了很长一段时间,直到1676年,天文学者奥勒·罗默通过一种被称为“木卫一蚀”天文现象,证明了光速其实是有限的。

简单来讲,木卫一是木星的一颗卫星,从我们地球上看来,在围绕着木星公转的过程中,木卫一有时候会绕到木星的“背后”去,看上去就像突然消失了一样,过一段时间之后,它又会从木星的“背后”转到“前面”来,看上去就好像突然出现一样,这种现象就被称为“木卫一蚀”。

要知道地球和木星的公转并不是同步进行的,这就会导致地球与木星的距离有时候会处于“不断拉长”的状态,有时候却会出现“不断缩短”的状态。奥勒·罗默发现,当地球与木星的距离“不断拉长”时,木卫一的“突然消失”和“突然出现”之间的时间间隔会长一些,而当地球与木星的距离“不断缩短”时,情况却恰好相反。

奥勒·罗默据此认为,“木卫一”的公转周期是不会改变的,之所以会出现这种现象,其实就是因为光速是有限的,距离越远,“木卫一”发出的光抵达地球的时间就越长,反之亦然,而如果光速是无限的,这种现象就不可能发生。

在此之后,“光速是有限的”这一观点得到了科学界的普遍认同,于是科学家们就开始致力于测量光速的具体数值,怎么测量呢?有两种方法,一种是通过天文观测数据来估算,但由于观测水平的限制,这种方法的误差其实非常大,比如说当时的天文学家克里斯蒂安·惠更斯就根据观测数据计算出,光速大约是每秒钟22万公里(这也差得太多了)。

另一种办法则是在地球表面通过实验的方法来测量光速,但由于光速实在是太快了,因此在接下来的很长一段时间里,科学家们都没有找到什么好办法。

直到170多年前(也就是19世纪中叶),物理学家阿曼德·斐索才以一种可谓是天才的构思,设计出了一个巧妙的方法,终于较为准确地测量出了光速。其实这个方法的原理并不复杂,只需要一个光源、一个齿轮和一面镜子就可以了,为了方便理解,我不妨来看图说话。

如上图所示,我们把光源放在一个齿轮的后面,在齿轮不动的情况下,光源发出的光会从齿轮的缝隙中穿过,在经过镜子的反射之后,反射回来的光又会从齿轮的同一个缝隙中穿过,在角度合适的情况下,此时位于齿轮后方面的观测者,就可以看到从镜子反射回来的光。

好的,现在我们让这个齿轮旋转起来,在转速较慢的情况下,观测者就会看到从镜子反射回来的光线会开始闪烁,毕竟旋转的齿轮会时不时地遮挡光线,然而假如我们可以调整齿轮的转速,那么当齿轮的转速提高到一个特定的值的时候,就会出现下图这样一种特殊的情况:

如上图所示,这种情况简单来讲就是,光源每一次发出的光从齿轮的缝隙中穿过,然后再通过镜子反射回来的时候,都会刚好被齿轮挡住,如此一来,观测者就会一直看不到镜子反射回来的光。

在此基础下,假如我们让这个齿轮的转速进一步地加快,那么当齿轮的转速加快到一个特定的值的时候,又会出现另一种特殊的情况,即:光源每一次发出的光从齿轮的一个缝隙中穿过,然后再通过镜子反射回来的时候,都会刚好穿过齿轮的下一个缝隙,如此一来,观测者就可以一直看到镜子反射回来的光(如下图所示)。

在上述的两种特殊的情况中,齿轮的转速、齿数以及光行距离都是可以精确测量的,而我们只需要知道了这些数据,就可以轻松计算出光的速度到底有多快。

当然了,这种方法的原理看上去很简单,但实际操作起来还是比较麻烦。实际上,在1849年的时候,阿曼德·斐索设计的齿轮,其齿数高达720个,然后镜子也被放在了8公里之外,在经过大量的测量之后,最终才得出光速大约是每秒钟31.53万公里,而这也是人类第一次在地球表面通过实验的方法测量出了光速。

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评论列表
  • 2023-11-22 19:02

    如果用天文观测证明相对论,距离远争议大,又没有实用性。如果用北京时区证明相对论,距离近争议小,又有实用性。验证相对论其实很简单。相对论是研究时空观的,可以用相对论设计北京时区,看看效果如何。北京时区有十几亿人,包括很多飞行员和宇航员,可以验证时间膨胀。但是,因为时间膨胀和对钟矛盾,相对论很快就会原形毕露。主流倒了,科学革命已经开始

  • 2024-07-08 11:57

    以当时的条件,让一束光精准的照射在8公里外的一面镜子上,再精准的原路返回,而且还能被观测到,那难度可不是一般大

  • 2023-10-04 23:07

    大家好!有大新闻,我用观测实验“对钟”推翻相对论。请在B站看《对钟推翻双生子佯谬》,《gps和北斗的对钟推翻相对论》这两个视频。简单来说,就是相对论的时间膨胀和对钟矛盾。主流倒了,科学革命已经开始。

  • 2023-10-14 14:36

    8 公里…

  • 2023-10-26 23:46

    光具有智能。

  • 2023-11-12 11:13

    还是西方人聪明和学习科学的环境好,中国人那时侯还在摇头晃脑读三字经~练哈蟆功

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