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光速每秒30万公里,以前科技还不够发达,是用什么方式测量出来的呢?

光速每秒30万公里,以前科技还不够发达,是用什么方式测量出来的呢?

今天我们都知道太阳与地球之间的距离大约是1.5亿公里,光从离开太阳表面算起,大约8分17秒才能抵达地球。

十六世纪初,伽利略曾尝试测量光速。据说,他当时心血来潮,想用带挡板的灯笼来测量光速,于是让自己和一个助手各自站在不同的山顶,两人之间有一段已知的距离,约定在特定的时刻打开挡板,而由伽利略记录从助手那到他所在位置的光的传播时间。伽利略用脉搏作为计时器,但由于光速实在太快,无论他和助手在不同距离尝试这个方法,都无法测量光传播的时间。于是,伽利略得出结论,光速太快,用这种方法无法测量。

当时的科学界,各个物理学泰斗对于光到底有没有速度这个问题一直争论不休。开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间,是瞬时进行的。但伽利略认为光速虽然传播得很快,但却是可以测定的,所以便有了上述实验,虽然是以失败告终。

1676年,一个叫做奥勒·罗默的人正在观察木星的一颗卫星“木卫一”。“木卫一”位于伽利略卫星的最深处。正如地球上的观察者所见,当木卫一移动到木星的阴影中时,它就突然消失了。而当它移动到木星的阴影之外时(其实是再次回到阳光中),它又重新出现在了人们的视野中。罗默对预测“木卫一”从木星阴影中出现的时间很感兴趣。他有一个目标,想利用这些观测结果更准确地确定木卫一的轨道周期,但并没有试图确定光速。

罗默注意到,随着地球越来越靠近木星,木卫一从阴影出现的时间变得越来越短,反之亦然。他意识到通过观测和计算出的木卫一出现时间之间存在差异,而这可以用光的速度是有限的来解释。由于在罗默的观测过程中,地球正在远离木星,所以从木卫一反射回来的光到达地球的时间会稍长一些,这将影响观察到木卫一从木星阴影中出现的确切时间。

在罗默论文里,他比较木卫一轨道周期的两个时间间隔:一个是地球在朝向木星运行时的木卫一轨道周期(有向弧FG的方向),另一个是地球背向木星运行时的木卫一轨道周期(有向弧LK的方向)。

基于以上对木星卫星的“木食现象”的观察,科学家惠更斯第一次运用天文学方法对光速进行了测算,将该值与地球半长轴(轨道半径)的早期测量值相结合,计算出了光的速度大约为214000千米每秒。虽然这次所测得的结果和实际相差很远,但考虑到它的古老性、测量方法和17世纪行星轨道精确尺寸的不确定性,这次测算也非常值得肯定。因为这次实验在光学的发展史上具有非常特殊、非常重要的意义,它不仅推动了光学实验,也打破了光速无限的传统观念。

1849年,德国物理学家菲索提出“旋转齿轮法”来测量光速。该方法原理与伽利略的比较类似。他将一个点光源放在透镜的焦点处,在透镜与光源之间放一个齿轮,在透镜的另一侧较远处依次放置另一个透镜和一个平面镜,平面镜位于第二个透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光,平行光经过第二个透镜后又在平面镜上聚于一点,在平面镜上反射后按原路返回。由于齿轮有齿隙和齿,当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光,当光恰好遇到齿时就会被遮住。从开始到返回的光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间,根据齿轮的转速,这个时间不难求出。通过这种方法,菲索测得的光速是315000千米/秒,误差仅有5.1%。

1850年,法国物理学家傅科对上述方法进行了改进。他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上,同样用平面镜的转速可以求出时间。傅科用这种方法测得的光速是298000 千米/秒,误差缩小到了不足1%,可以说是一个巨大的进步。

时至今日,科学家们则继续改进测量方法,通过波长和频率来计算光速。

1972年,埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值为:299792457.4±0.1米/秒。

光速的测定在光学的研究历程中有着举足轻重的意义。从人们设法测量光速,到实际测量出精确数值,前后一共经历了三百多年的时间,这期间每一次精确度的提高,都代表着人类物理学的伟大进步。

从上述科技发展的过程和路径可以看出,每一项技术的发展都有技术路线、每一个时代的后人都会研究学习前人成果而后想方设法进行改进,这才是科学技术发展的必由之路和正常之路。因此,谁要是平地起高楼,之前技术基础一片空白,突然某天大爆发,有了什么文艺复兴,在造纸术印刷术没有普及的时代、在教育不成型的时代、在文字没有成体系的时代、在肚子没填饱的时代、在人口数量没有成规模的时代,突然涌现大批大科学家,那一定是在胡说八道。

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