光速是如何测量的？
光速是如何测量的？来源：李永乐老师、科普中国 发布时间：2022-01-27 09:00:06 浏览次数：12239 次 【字体：小 大】
大家都知道：光的传播速度非常快，一秒钟就能走30万公里，一秒钟就可以绕地球七圈半。这么快的速度，人类是如何测量的呢？一.伽利略的测量在古希腊时代，对于光速的数量级，人们并不是很清楚。一些科学家，比如亚里士多德，甚至认为光速是无限大的。更好玩的是，有人认为：光是从眼睛中发射出来的，我们一睁眼就能看到遥远的星星，所以光速一定是无限大的。文艺复兴之后，近代科学的先驱伽利略做了第一个测量光速的实验，当时是1638年。https://www.wuling.gov.cn/Upload/main/ContentManage/Article/image/275b008d9c6540d7a70d4caed53d2297.png伽利略和他的助手站在两个相隔较远的山头上，每个人手里拿着一盏灯。伽利略首先遮住灯，助手看到伽利略遮住灯之后，立刻遮住自己的灯。伽利略的设想是测量从遮住灯到看到助手遮住灯相差的时间，这段时间内，光刚好在两人之间传播了一个来回，这样就可以测出光速了。然而，光速如此之快，以至于这个实验根本不可能测出光速。如果不计两人的反应时间和遮住灯的时间，光传播这段距离的时间只需要几微秒，以当时的设备条件无法完成测量。伽利略也承认，他没有通过这个实验测出光速，也没有判断出光速是有限的还是无限的。不过，伽利略说：“即便光速是有限的，也一定快到不可思议。”二.利用木星测光速真正意义上的光速测量是从丹麦天文学家奥勒·罗默开始的。1610年，伽利略利用自己改进的望远镜发现了木星的四颗卫星，其中木卫一最靠近木星，每42.5小时绕木星一圈。而且，木卫一的轨道平面非常接近木星绕太阳公转的轨道，所以，有时候木卫一会转到木星背面，太阳的光无法照射到木卫一，地球上的人就看不到这颗卫星了，称为木卫一蚀。https://www.wuling.gov.cn/Upload/main/ContentManage/Article/image/615c151769d04609b76d2a2a5e246d4c.jpeg我们来看一个示意图，地球绕着太阳A在圆轨道FGLK上逆时针运动，木卫一绕着木星B也在逆时针运动。木星背后CD之间是木星的阴影区，如果木卫一进入这部分阴影，太阳光照射不到它，人们就无法看到它。也就是说，当木卫一到达C点时就会消失，称为“消踪”，如果木卫一从阴影出来，就能够被人观察到，也就是木卫一到达D点时就会出现，称为“现踪”。罗默就是利用这个现象测量光速的。首先，我们研究地球靠近木星时发生的消踪和现踪现象。当木卫一到达C点时进入阴影，这个现象的光需要传播一段距离才能到达地球。假设光从C传播到地球时地球位于F点，那么人们观察到消踪现象就比木卫一进入阴影时间晚了一些，这段时间等于CF长度与光速之比。当木卫一到达D点时走出阴影，重新反射太阳光。这个现象也需要一段时间才能到达地球。由于地球在运动，假设这束光到达地球时地球位于G点，那么，人们观察到现踪现象也比木卫一走出阴影时间晚了一些，这段时间等于DG长度与光速之比。但是，由于CF比DG长，所以消踪现象延迟比现踪现象延迟多一些，即晚发现消踪，早发现现踪。消踪与现踪的时间间隔比木卫一在阴影中的时间要短。我们可以用一个线段图表示这个关系。https://www.wuling.gov.cn/Upload/main/ContentManage/Article/image/2454315aa8214b8f9e4925a7e6caa7f0.jpeg同样，我们可以讨论地球远离木星时的消踪和现踪现象。如果地球到达L发现木星消踪，到达K发现木星现踪，由于地球在远离木星，所以LC的长度小于KD的长度，早发现消踪，晚发现现踪，人们观察到消踪和现踪的时间间隔就会比木卫一实际在木星阴影中的时间长。1671年到1673年，罗默进行了多次观测，并且得出在地球远离木星时，消踪、现踪时间差比靠近时长了7分钟，并得出了光的速度在https://www.wuling.gov.cn/Upload/main/ContentManage/Article/image/811bea78cef5405fa86718ba5b5e4e2e.jpeg量级的结论。牛顿和惠更斯这两位科学巨匠虽然在光到底是粒子还是波的问题上争执不休，但是在光速测量上都支持了罗默的方法。牛顿还测量了光从太阳发射到地球需要8分钟的时间，也就是说：我们看到的太阳是8分钟以前的太阳。https://www.wuling.gov.cn/Upload/main/ContentManage/Article/image/e7deb56be6fc4a26bfc55e2719ed6ec3.jpeg三.迈克尔孙和傅科实验200年之后，第一个把光速测量精度大幅提高的人是美国物理学家迈克尔孙。https://www.wuling.gov.cn/Upload/main/ContentManage/Article/image/bab1c26afd5a44acbcdbbdd5b07c23fc.jpeg1877到1879年，迈克尔孙改进了傅科发明的旋转镜，示意图如下：https://www.wuling.gov.cn/Upload/main/ContentManage/Article/image/f07dd37d7c0245b48e588329b9b5e58d.jpeg迈克尔孙测量光速装置示意图迈克尔孙在相隔较远的两处分别放置八面镜M1和反射装置M2M3，让一束光经过八面镜中的镜面1反射后发出，再通过M2和M3反射回八面镜，经过镜面3反射后进入观察目镜。只有在如图所示的位置时，观察目镜处才会有光。如果八面镜转动一点，经过界面1反射的光就无法照射到M2，观察目镜上就看不到光了。如果让八面镜旋转起来，并且角速度逐渐增大，会发现某个角速度下又可以从观察目镜中看到光了。这是因为界面1刚好倾斜45度角时，光线经过界面1反射到达M2，再返回八面镜时，八面镜刚好转动一格（1/8周期），于是界面2刚好跑到图中镜面3的位置，将光线反射进入观察目镜。由于视觉暂留现象，观察目镜中就好像一直可以看到光。假设左右两套装置相距为L，当八面镜转动周期为T时，可以从观察镜中看到光，由于L远远大于其它部分的长度，所以光从界面1反射到左侧，再回到八面镜走过的距离近似为S=2L根据刚才的分析，光来回运动一次，八面镜刚好走过1格，时间t=T/8因此光的速度为https://www.wuling.gov.cn/Upload/main/ContentManage/Article/image/96235aaa32034f47be667a136bd40adb.jpeg根据这个原理，迈克尔孙测出光的速度为299853±60km/s，与我们今天测量的更加精确的值非常接近。现在，人们使用更加精确的方法测出光在真空中的速度为299792458m/s，并且利用光速来定义“米”的概念。1米就等于光在真空中传播299792458分之一秒内传播的距离。如果距离非常大，人们就使用光年的概念：1光年等于光在一年时间里走过的距离，大约https://www.wuling.gov.cn/Upload/main/ContentManage/Article/image/2405ce38b40946ca8be2f7c20bf6293b.jpeg我们能看到几百万光年之外的恒星，那是因为那些恒星早在几百万年前就开始发光了，直到今天它们发出的光才到达地球。换句话说，我们看到的是它们几百万年前的样子，今天它还存在不存在，还是个未知数呢！
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