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春日启新程 | 昂立中学生春季班开课啦!

当我们生活中想要形容一个人干某件事情特别特别快时,我们可能会用“光速”这个词来形容。


例如朋友叫你打游戏而你要吃饭时,你可能会“光速吃饭”;或者boss提前回家了你有可能想“光速下班”;再或者临近期末了还完全没有开始学的大学牲可以选择直接“光速挂科”……


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我们知道,真空中光速的值是299792458米/秒。我们可以进行这样一个比较来体会光速到底有多快:以360千米/小时运行的高铁在光速面前,几乎相当于一个大肠杆菌在流体中游动的速度(约20~30微米/秒)与高铁的速度相比较。


所以在大肠杆菌们的视角里,它们那些有幸乘上疾驰高铁的同伴简直是在光速飞行!开个玩笑。


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那么对于这么快的速度,科学家们是怎么测量出光速的值的呢?这可费了不少周折,经历了漫长的探索过程。


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早在 17 世纪,就有科学家开始尝试测量光速了。当时,意大利的科学家伽利略想出了一个很直接的办法。


他和助手分别站在两个相距1英里(1.61千米)的山上,每个人手里都拿着一盏灯。伽利略先打开自己手中的灯,当助手看到他的灯光后,立刻打开自己的灯。


伽利略试图通过测量从他开灯到看到助手灯光的时间差,再结合两座山之间的距离,来计算光速。可想而知地,这个实验不可能成功。


因为光的速度实在太快了,在这么短的距离内,光传播的时间几乎可以忽略不计,当时的计时工具根本无法精确测量出这么微小的时间差,而且人类作为测量中观察的参与者,其反应所需的时间也比这个时间差大得多得多得多。


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虽然伽利略的尝试没有成功,但他为后来的科学家们指明了方向。到了 1676 年,丹麦天文学家罗默有了一个重大发现


他在研究木星的卫星时,注意到了一个有趣的现象:当地球离木星较近时,木星卫星的公转周期看起来会比地球离木星较远时稍短一些。


罗默经过深入思考后意识到,这是因为光从木星卫星传播到地球需要时间,而这个时间会随着地球和木星之间距离的变化而变化。


他根据对木星卫星公转周期的精确观测数据,以及地球和木星之间不同位置的距离变化,估算出了光速的值


可惜地是,在1728年的哥本哈根大火后罗默的许多记载有详细计算方法的手稿不见踪迹。我们无法得知他当时这项工作的具体计算细节,只知道他求出的光速约为2.2×108m/s


这个估算值与现在公认的光速精确值还有一定的偏差,很大一部分原因是罗默的计算中需要使用当时已知的木星轨道半径,这个值在当时本就不准,罗默自然就很难求出准确的光速值。


不过罗默的工作无疑是测量光速道路上的一个重要里程碑,他首次证明了光速是有限的。


随着时间的推移,技术不断进步,科学家们对光速的测量也越来越精确。在 19 世纪,法国物理学家斐索设计出了一个巧妙的实验装置↓↓↓


他用到的器材有一个分光镜(半透明玻璃)、一个齿宽和齿缝宽度均匀的齿轮、一个平面镜、一个可以发射较亮光束的光源以及一些用于聚焦的凸透镜。


分光镜的作用是让人可以直接在光源发射的角度观察反射回来的光。大概的方法是让光通过齿轮的齿缝射向远处的镜子,然后再反射回来。


当齿轮静止时,观察者可以观察到平面镜反射回来的光。我们开始启动齿轮,通过调整齿轮的转速,使得反射回来的光恰好能够通过相邻的齿缝被观察到。


根据齿轮的转速以及齿数,我们可以计算出光在转过一个齿缝所花的时间。而光在这段时间里通过的路程就是从平面镜到齿轮距离的2倍,由此我们完全可以计算出光速。


斐索的实验更加精确,因此他得出的光速和现代测得的光速的值差距仅在5%3.15×108m/s。

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后来多位科学家在旋转齿轮法的基础上进行实验设计,不断提高测量精度。美国物理学家迈克尔逊对斐索的实验进行了改进。


他使用了八面镜来代替齿轮,通过精确控制八面镜的旋转速度,使得反射光能够在特定的条件下被观察到。


迈克尔逊的实验以其高度的精确性著称,他多次进行测量,并不断优化实验条件,最终得到了非常接近现代公认值的光速测量结果。


他的工作不仅在光速测量领域具有极其重要的意义,而且也为爱因斯坦相对论的发展奠定了坚实的实验基础。


因为爱因斯坦的相对论中有很多关于光速的重要假设和结论,而迈克尔逊精确测量的光速值成为了验证这些理论的关键依据。


有些同学可能就有疑问了:当时的人们如何知道谁实验得出的光速更准确呢?是否有一个光速的指导值呢?答案是有。


因为在这段时期,出生于苏格兰的物理学家麦克斯韦给出了著名的麦克斯韦方程组,这一组完美的方程能描述电磁波的运动,并且通过真空的介电常数和磁导率计算出真空中电磁波的传播速度约3×108m/s。


敏锐的麦克斯韦察觉到这个数值与实验科学家们测得的光速值很接近,于是麦克斯韦大胆预言:光正是一种电磁波。后续物理学的发展也向世人证明了麦克斯韦猜想的果然是正确的。



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