光速如此之快如何测量的?追溯几百年来科学家测量光速的艰辛历程
有一位父亲碰到这样的问题(相信你也遇到过),说自己女儿问他光速是怎么算出来的。这个问题令我很感动,虽然过去回答过此类问题,也忍不住给这位父亲再解释一下。
首先给这位爸爸和女儿都点个赞,他们父女都是具有科学素养和科学精神的人。
这个问题的提出,一方面说明这个小女孩很有思想,勤于思考,提出的这个问题是现代物理学大厦的最重要支柱,高端问题哈;其次说明这位爸爸很有责任感,也非常谦虚,不懂就问,一定要给女儿一个交代,这是女儿成长过程中一件很值得记忆的事情。
但网络有的人就不像这位爸爸这么谦虚了,少了一些科学素养,我的贴子中一提到光速,他们就质问:光速每秒多少多少米是怎么来的?你到量过?还弄那么多的数字,故弄玄虚。还说世界最快的是眼光,一下子就看到了亿万光年。
对诸如此类质问除了喷饭还会有几许悲哀,正是这种人多了一些,社会进步才更加艰难。如果社会多有一些像这一对父女的精神,就会更加清明。
为此,借这个机会,再详细解释一下光速精确值的求索过程,以弘扬一下科学精神。
说光速是建立现代物理学大厦的基础一点都不为过。在狭义相对论中,光速是一个最重要的指标。而且光速数值的准确测定,正是科学从古典蜕变到现代的一个过程,是人类对自然世界认识逐渐深化的一个过程。
古代,人们对光速没有感觉,认为光本来就是这个样子,速度是无限的。这是因为古代人类对大自然认识很肤浅。但如今还有一些人依然顽固的坚持这种观点,就是愚昧和无知了。如果这个社会都是这样一种存在,还能进步吗?
科学家先驱们对光速的测量费尽了脑汁,孜孜以求的经过了几百年的探索和实验,才得到了准确的光速。
最早发起对光速测量的是伟大的科学先驱伽利略。他的方法很简单也很原始,用两个人(甲乙)各自站在一个山头,中间相隔1英里,甲乙各拿一盏灯,对好时间,然后甲遮光的同时开始计时,乙看到遮光时立即遮住自己灯光,甲看到乙的遮光立即停止计时。
他们天真的以为这样就能够计算出光的速度,但是失败了。因为光速每秒约30万千米,1英里才约1600米,光速传输只需要18.75万分之一秒,人眼和动作完全无法做到这样灵敏的反应。
但他们和社会也有收获,那就是知道了光速比想象中的快多了。伽利略说,即便光速是有限的,也一定快到不可思议。
更为重要的是,伽利略的实验打破了光速无限的思想禁锢,启动了人类对光速精确度测量的追求。
最早用科学方法对光速进行测量的是丹麦天文学家奥勒·罗默,他用的方法是通过观测木星和木卫一之间的“行星掩星”现象(也是继承伽利略的发现),联系太阳和地球位置变化关系,经过几十年持续不断的观测纪录,得到了人类第一个科学测定的光速数据。
他在1676年向法国科学院提交了报告,推断光速大约为220000千米/秒。虽然这个数据与实际光速相去甚远,但即使到了现代,科学家们也认为它的观测本身很科学并非常精确,只是由于当时数学计算水平不足和地球轨道半径数值不精确,才导致这样的误差。现在用他测得的各种参数重新计算,得出的光速数值为298000千米/秒,已经很接近精确的光速值了。
这之后光速测量沉寂了一百多年,一直到1849年,法国物理学家阿曼达·菲索才重拾这个实验,但他采用了更先进的方法,就是齿轮遮光法。
这是一个重大进步。具体是采用光源、具有720个齿轮的旋转遮光板、固定在8公里远的反光镜、透镜等组成一组测量设施,将光源之光通过透镜发射到8公里的反光镜上,根据计算反射回来的光通过齿轮空隙的次数以及齿轮的转速,计算光在一定时间反射的次数叠加数,从而得出光的传输速度。
这套装置原理和伽利略的差不多,只是通过反射镜将光线传输距离变相拉得很长,并采用了机械控制,减少了误差。
但由于齿轮的齿有一定宽度,反射回来的光也可能打在齿的中间,也可能打在边上,都被遮盖了,计算起来是一样的,因此并不很精确,最终得出的数据为315000千米/秒。
后来的科学家们前赴后继,在菲索实验的设备上进行了改良。
如1862年法国物理学家莱昂·傅科将菲索装置的旋转齿轮遮板换成了旋转平面镜,这样反射的光线落在平面镜上,只要知道平面镜的转速和落在平面镜上光的次数,就能够算出光速传输值了,这次测算出的光速为298000千米/秒。
1926年美国人马尔克逊用傅科的方法,但把反射镜间距拉开到36公里,测得光速为299796千米/秒,这已经是人类采用原始的室外直观实验方法能够获得精确光速的极限了,要再提升已经非常困难。
于是人类的实验开始从野外宽阔之地转为实验室,寻找更精确的办法。
1972年,美国科学家终于在实验室利用激光干涉法测量出了最精确的光速,得到的光速为299792456米/秒,但还是有一些误差和小数点。
这种方法是将1束频率已知的激光一分为二,行走不同的路径,之后再汇合,测试人员在观察干涉图样的同时调整路径的长度,从而可以计算出精确的波长,得到最精确的光速。
从理论上来说,这种测速方法不存在误差,唯一不确定的是对长度“米”的定义,导致了细微的误差。
为了解决这个问题,1983年在第17届国际度量衡大会上,人们重新定义了“米”,将“1米”定义为光在1/299792458 s(秒)的行驶距离,这样现在我们的米可能与过去的米稍微短了人眼无法看出来的那么一丝丝,但却使光速成了一个整数,与米的尺度得到统一,使光年成为一个标准的量天尺。
光速就是这样经过一代代科学家孜孜以求最终达到精确数据的,成为了现代物理学的一块奠基石。
而那些认为光速无限,甚至认为光是从眼睛中发出,所以“眼光”才是最快速度的人,思想还停留在几千年前的古希腊时代,至少也还停留在阿Q时代。关于眼光的问题,我在过去多篇文章已有深刻的阐述,这里就不多说了。
我不知道这位爸爸的女儿有多大,其实只要知道历史上光速测算的过程就可以了,如果一定要计算的话,是一个很麻烦的过程。