光的速度是非常快的,那人类是如何测量出来的呢?

我们可以轻易地得到光速的准确数值。但是直到近代以前,人们对光的速度都缺少一个准确的认识。甚至都不能确定光速到底是无限的,还是以极快的有限速度传递。

对这个问题,据目前已发现的文献记载,对光速的最早研究甚至可以追溯到古希腊时期。

历史记载,恩培多克勒(前490年-前430年)是第一个宣称光速有限的人。他相信光是一种运动的东西,所以运行需要时间。

古希腊、伊斯兰世界以及欧洲经典学者都对此进行了长期的讨论。直到1676年,奥勒·罗默首次对光速进行测定,才有了光速有限的结论。

著名科学家伽利略提出一项他曾经做过的实验。伽利略一行四人,分成两组,分别登上两座相隔甚远的山峰,每组各自携带一个光源——煤油灯。

他对煤油灯做了一个简单的改进,就是在煤油灯的一面加了一个滑盖,这样关闭滑盖,灯光就被挡住,如果把滑盖拉起,灯光就会照射出来。通过快速地拉动滑盖,就能让煤油灯一亮一灭,制造出看上去在闪烁的效果。

在伽利略的实验中,除了两盏煤油灯外,还需要两只一模一样的钟摆计时装置,以及记录数据的纸笔。他打算利用两边记录灯光开启关闭时间的方法来测算光的速度。

我们已经得知光速大约是30万千米每秒,而人的反应时间大概是240ms左右。因此我们几乎可以断定,伽利略的这个实验是测不出光速的。

事实也是如此,意大利佛罗伦斯的实验学会(Accademia del Cimento)于1667年进行了伽利略的实验。在两盏灯相距约一英里的情况下,没有观察到任何的延时。

我们把今天已知的光速数值代入这个实验进行计算,可以得出延时只有11微秒,这已经超越了人类反应的极限了。

很显然,伽利略并没有测出光速,他得到的结论是:就算光速是有限的,它也肯定快得不可思议。而第一个测出一个比较靠谱数据的人,奥勒·罗默首次对光速进行了测定。

罗默观察木星的卫星木卫一,木卫一绕木星公转,绕到木星背后时被遮住就会出现卫星蚀。随着地球在公转轨道上移向木星,在地球上观测到木卫一蚀之间的时间间隔将逐渐变短;而当地球远离木星时,木卫一蚀的间隔则逐渐变长。

简单介绍一下这种方法。首先由中学物理知识我们可以知道,木卫一是绕木星作匀速圆周运动的,那么木卫一卫星蚀的周期应该是不变的。

罗默根据这些数据计算出,当地球距离木星最近时,木卫一蚀将比按照公转周期预测的时间提前约11分钟出现。而六个半月后,当地球距离木星最远时,木卫一蚀将比预期的时间晚11分钟出现。累加时间点相差高达22分钟!他意识到,这22分钟就是光在地球公转轨道上传播的时间。

后来,克里斯蒂安·惠更斯利用这一数据加上对地球公转直径的估值,计算出光速大约为22万千米每秒,这一数据约有26%的误差。

艾萨克·牛顿(Isaac Newton)在其出版的《光学》一书中描述了罗默对光速的计算,并给出了光从太阳到地球传播所需的时间为“七到八分钟”。

罗默和惠更斯的结果和实际相差非常巨大。直到19世纪,阿曼德·斐索发明了旋转齿轮法,并得出了315000 km/s的光速数值。莱昂·傅科进一步完善了斐索的方法,在1862年所得出的数值为298000 km/s。这一数据已经非常接近准确值了。

简单解释一下旋转齿轮法。

按照上图将实验用具摆放,当齿轮静止不动时,光线穿过透镜L进入人的眼睛当中。先缓慢转动齿轮W,由于光线会被齿轮所遮挡,我们会看见明暗相间的像(如下图乙)。将齿轮调整到一定的转速,使其在第一个缝穿过经过反射回来时,能恰好被相邻的第一个齿轮遮挡(如下图丁)。



两个人各自拿着一盏灯笼分别站在两座山头上,每个人都用挡板把手中的灯笼遮住。接下来,一个人把自己的手中的挡板拿掉,对面山头的人在看到灯光后立刻把自己手中的挡板也拿掉。第一个人则记录下从自己拿掉挡板到看到对方手中灯笼的时间,这就是光线在两座山头之间跑一个来回的时间。用两座山头之间的距离除以时间,就可以得到光的速度了。

最初是伽利略做的一个实验,通过山头之间的距离和光传播的时间来算出光的速度,后来麦克斯韦通过自己的研究,利用波长乘以频率,算出了光速。

伽利略让两个人分别站在相距一英里的两座山上,每个人拿一盏灯,第1个人先去启动,当第2个人看到第1个人的灯是立即举起自己的灯。但这种方法并没有测出来。

古代的科学家不断的推理验证,做实验测量出来的,就像伽利略利用灯笼求出了光的速度,虽然误差太大,但这也是人们第1次想要探索光的速度。

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