光速为什么是宇宙最快的(宇宙最快的光速)

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01前言

众所周知,真空中的光速是宇宙中最快的速度,没有之一。

目前公认的最精确的光速值来自于国际协议:c=299792458.458米/秒。

光速如此之快,每秒钟可以绕地球赤道7.5圈。

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光速如何测量?

那么光速是如何测量的呢?有哪些精妙的实验和有趣的故事?

本文带你了解「光速测量」的前世今生!

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图片截取自《工科物理》1991第2期第43页

02测量光速是个技术活儿

测量光速,可是个难度超高的技术活儿。

原因是什么呢?主要是因为光速实在是太快了!

下面介绍几个历史上著名的有关测量光速的实验或者认识:

(1)亚里士多德认为光速是无限大的

古希腊圣哲亚里士多德认为光速是无限的。

原因很简单,亚里士多德认为光是从眼睛中发射出来的。

一睁开眼睛就能看的整个世界,说明一瞬间光已经从眼中发出去又回来了——因此光速一定是无限的。

亚里士多德对光速的看法统治了西方1500年,直到伽利略出现,对此产生怀疑。

(话说经常有读者问我,亚里士多德怎么老是被推翻?我也很无奈呀,可能是因为他说的太多了吧!不过话说回来,亚里士多德更多的理论是正确的,大家纠结于这位大哲的错误,可能是一种找茬儿的心理吧!)

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亚里士多德

(2)伽利略测量光速失败

“找茬青年”伽利略就不认为光速是无限的,所以在1607年,他就测量光速做过一个实验:

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  • 两个人站在两个山头,各自拿一盏灯;
  • 当看到对面的灯时,就立即用遮蔽物挡住自己的灯;
  • 当看到对面的人挡住了灯时(也就是看到对面的灯在视野中消失时)就再次“放出”自己的灯光。

根据山头之间的距离和灯光闪烁的频率,就能计算出光速了!

但由于设备不够精确,光速又太快,所以伽利略失败了。

但是,伽利略留下一句话:这个实验并不能说明光速是否是无限的,但是可以证明,即使光速不是无限大,也是非常、非常大的一个值

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伽利略

(3)利用星星来测光速

1676年,丹麦天文学家罗麦根据木星卫星的运动,第一次真正测量了光速,精度确定在10^8米每秒的量级,终于证明了光速不是无限大的

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木星

类似的,1725年,布莱德雷发现恒星“光行差”,估算出太阳光到地球需要8分钟13秒,再次证明光速不是无限大的

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恒星

(4)旋转齿轮法和旋转镜面法

为了测量光速,1849年9月,法国实验物理学家斐索设计了旋转齿轮法,得到了比较精确的结果(2.99~3.01×10^8m/s)。

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斐索

其实,该实验设计的原理和伽利略实验的原理近似,只是用到了更精密的仪器。

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旋转齿轮法

一年后的1850年,法国物理学家傅科改进了斐索的方法,用透镜、平面镜和凹镜设计了旋转镜面法,测出了更精确的光速是2.98×10^8米每秒。

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预测量光速相比,傅科更为人所知的傅科摆

同时傅科还测算出了光在水中的折射率,验证了光的“波动说”,也成了压死光的“粒子说”的最后一根稻草。

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光的波动说

(5)迈克尔逊的旋转棱镜法

迈克尔逊把齿轮法和旋转镜面法做了结合和改进,用一个正八面棱镜替代了旋转平面镜,设计了旋转棱镜法。

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迈克尔逊

从1878年到1923年,迈克尔进行了持续50年的测量,把光速的测量精度提高到了非常高的程度。

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旋转棱镜法

(6)迈克尔逊-莫雷实验:光速不变

唯一一个在我们榜单中出现两次的人:迈克尔逊,他在和莫雷合作的实验中,得到了光速不变的结果。

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年轻的迈克尔逊

而这个实验本身是为了去测量光速的改变——由于地球在“以太”中的运动造成的光速变化。

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迈克尔逊-莫雷实验仪器

所以呢,这个实验可以说是一个成功的“失败实验”:在实验上是成功的,但是在寻找“以太”上,它失败了——这个实验也直接证明了“以太”并不存在,并且为爱因斯坦的狭义相对论奠定了实验基础。

当然,迈克尔逊还是很靠谱的,虽然他特别希望能测出光速的变化,前后做了近30年的实验,但是最终他还是很诚恳的公布了结果。

关于以太的其他问题,请点击:

经典物理概念“以太”:从提出到被证伪,科学也可以如此跌宕精彩

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迈克尔逊-莫雷实验仪器示意图

03总结

光速作为宇宙中最重要的常数,它的测量工作是非常重要的。

光速的精确测量,体现了实验物理学家高超的技艺。

在光学的发展中,出现过“粒子说与波动说之争”和“以太是否存在”等等重大问题,最终都是通过“测量光速”得以解决的。

“光速不变”更是变相催生了狭义相对论这种改天换地的理论出现。

可以说,光速的测量史就是科学发展史的一个缩影。

(完)

ps:更多关于光的波动说与粒子说之争,迈克尔逊-莫雷实验的具体介绍,请关注后获取。

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