170多年前測量光速的方法,可謂是天才的構思!

2023-09-24     魅力科學君

原標題:170多年前測量光速的方法,可謂是天才的構思!

在現代物理學中,光在真空中的速度已經被精確地確定為每秒鐘299792458米,以這樣的速度,1秒鐘的時間,大概就可以圍繞著地球赤道跑7圈半。

顯而易見的是,想要測量如此快的速度,難度是相當高的。不過早在170多年前,就有人利用一種巧妙的方法測量出光速大約是每秒鐘31.53萬公里,儘管測得的光速與實際情況存在著一定的誤差,但以當時的條件來講,這已經非常難得了,甚至可以說,170多年前測量光速的方法,可謂是天才的構思。下面我們來看看這具體是怎麼回事。

在幾百年前,人們對光的速度存在著兩種不同的觀點,有人認為光的速度是無限的,無論多遠的距離,光都可以瞬間抵達,也有人認為,光的速度是有限的,只是特別快而已。這兩種觀點爭論了很長一段時間,直到1676年,天文學者奧勒·羅默通過一種被稱為「木衛一蝕」天文現象,證明了光速其實是有限的。

簡單來講,木衛一是木星的一顆衛星,從我們地球上看來,在圍繞著木星公轉的過程中,木衛一有時候會繞到木星的「背後」去,看上去就像突然消失了一樣,過一段時間之後,它又會從木星的「背後」轉到「前面」來,看上去就好像突然出現一樣,這種現象就被稱為「木衛一蝕」。

要知道地球和木星的公轉並不是同步進行的,這就會導致地球與木星的距離有時候會處於「不斷拉長」的狀態,有時候卻會出現「不斷縮短」的狀態。奧勒·羅默發現,當地球與木星的距離「不斷拉長」時,木衛一的「突然消失」和「突然出現」之間的時間間隔會長一些,而當地球與木星的距離「不斷縮短」時,情況卻恰好相反。

奧勒·羅默據此認為,「木衛一」的公轉周期是不會改變的,之所以會出現這種現象,其實就是因為光速是有限的,距離越遠,「木衛一」發出的光抵達地球的時間就越長,反之亦然,而如果光速是無限的,這種現象就不可能發生。

在此之後,「光速是有限的」這一觀點得到了科學界的普遍認同,於是科學家們就開始致力於測量光速的具體數值,怎麼測量呢?有兩種方法,一種是通過天文觀測數據來估算,但由於觀測水平的限制,這種方法的誤差其實非常大,比如說當時的天文學家克里斯蒂安·惠更斯就根據觀測數據計算出,光速大約是每秒鐘22萬公里(這也差得太多了)。

另一種辦法則是在地球表面通過實驗的方法來測量光速,但由於光速實在是太快了,因此在接下來的很長一段時間裡,科學家們都沒有找到什麼好辦法。

直到170多年前(也就是19世紀中葉),物理學家阿曼德·斐索才以一種可謂是天才的構思,設計出了一個巧妙的方法,終於較為準確地測量出了光速。其實這個方法的原理並不複雜,只需要一個光源、一個齒輪和一面鏡子就可以了,為了方便理解,我不妨來看圖說話。

如上圖所示,我們把光源放在一個齒輪的後面,在齒輪不動的情況下,光源發出的光會從齒輪的縫隙中穿過,在經過鏡子的反射之後,反射回來的光又會從齒輪的同一個縫隙中穿過,在角度合適的情況下,此時位於齒輪後方面的觀測者,就可以看到從鏡子反射回來的光。

好的,現在我們讓這個齒輪旋轉起來,在轉速較慢的情況下,觀測者就會看到從鏡子反射回來的光線會開始閃爍,畢竟旋轉的齒輪會時不時地遮擋光線,然而假如我們可以調整齒輪的轉速,那麼當齒輪的轉速提高到一個特定的值的時候,就會出現下圖這樣一種特殊的情況:

如上圖所示,這種情況簡單來講就是,光源每一次發出的光從齒輪的縫隙中穿過,然後再通過鏡子反射回來的時候,都會剛好被齒輪擋住,如此一來,觀測者就會一直看不到鏡子反射回來的光。

在此基礎下,假如我們讓這個齒輪的轉速進一步地加快,那麼當齒輪的轉速加快到一個特定的值的時候,又會出現另一種特殊的情況,即:光源每一次發出的光從齒輪的一個縫隙中穿過,然後再通過鏡子反射回來的時候,都會剛好穿過齒輪的下一個縫隙,如此一來,觀測者就可以一直看到鏡子反射回來的光(如下圖所示)。

在上述的兩種特殊的情況中,齒輪的轉速、齒數以及光行距離都是可以精確測量的,而我們只需要知道了這些數據,就可以輕鬆計算出光的速度到底有多快。

當然了,這種方法的原理看上去很簡單,但實際操作起來還是比較麻煩。實際上,在1849年的時候,阿曼德·斐索設計的齒輪,其齒數高達720個,然後鏡子也被放在了8公里之外,在經過大量的測量之後,最終才得出光速大約是每秒鐘31.53萬公里,而這也是人類第一次在地球表面通過實驗的方法測量出了光速。

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