光速的测量

人类一思考,上帝就发笑 -> 人类的智慧不断累积和进步迟早会让上帝感到畏惧

真空中的光速:30w千米/s

光速测量历史

伽利略

尝试测量光速第一人

1607 年,伽利略做了世界上第一个测量光速的实验。他请甲、乙两人站在相距 1.5km 的两座山顶上,每人手中提一盏灯。实验时,甲先打开灯,记下开灯的时间,当乙看见灯光时立即也打开灯,把光信号传播回来。当甲看到乙返回的灯光时,再记下时间,这段时间是光在两座山顶间往返的时间。伽利略设想,测出这段时间,利用公式: v=2s/t,就可以测量出光的速度。这个实验的原理无可非议,但是伽利略做了多次实验,都以失败告终。这在今天看来是必然的,现在我们知道,光线走过 3km 距离,相应的时间应大约是十万分之一秒。

奥勒·罗默

确认光速是有限的

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。

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。

阿曼德·斐索

旋转齿轮法去除了计时器的误差

阿曼德·斐索发明了旋转齿轮法来测量光速。

当一束光穿过齿轮的一个齿缝射到一面镜子上,然后光会被反射回来。如果齿轮静止,那么被反射回来的光原路返回,通过齿缝被我们看到。如果还是转动齿轮,当齿轮转到一定的速度后,光返回的时候齿缝刚好转过去,于是光就被挡住了,我们就看不到那束光。当齿轮转速再加快,快到一定程度后,光返回的时候恰好又穿过了下一个齿缝,于是我们又能看见了,这样的话,只要我们知道齿轮的转速、齿速,还有我们眼睛距离镜子的距离,就能算出光速了。

当齿轮的齿数为720齿,光源距离镜子长达8000之遥,转速达到每秒12.67转后,光源被挡住消失了,当转速提高到一倍后,又再一次看到了光源。阿曼德·斐索计算出来的光速是 31.5w 千米/s。