光速是怎么測(cè)量的？

作者：李永樂(lè)

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大家都知道：光的傳播速度非?？?，一秒鐘就能走30萬(wàn)公里，可以繞地球七圈半。這么快的速度，人類(lèi)是如何測(cè)量的呢？

在古希臘時(shí)代，對(duì)于光速到底是什么，人們并不是很清楚，因此一些科學(xué)家——比如亞里士多德等人，就認(rèn)為光速是無(wú)限大的。甚至有人認(rèn)為：光是從眼睛中發(fā)射出來(lái)的，我們一睜眼睛就能看到遙遠(yuǎn)的星星，所以光速一定是無(wú)限大的。

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伽利略和他的助手站在兩個(gè)相隔較遠(yuǎn)的山頭上，每個(gè)人手里有一盞燈。伽利略首先遮住燈，當(dāng)助手看到伽利略遮住燈之后立刻遮住自己的燈。伽利略測(cè)量從遮住燈到看到助手遮住燈相差的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)光剛好在兩人之間傳播了一個(gè)來(lái)回，這樣就可以測(cè)出光速了。

顯然，因?yàn)楣馑偃绱酥?，以至于這個(gè)實(shí)驗(yàn)根本不可能測(cè)量出光速，因?yàn)槿绻挥?jì)兩人的反應(yīng)時(shí)間和遮住燈的時(shí)間，光傳播這段距離的時(shí)間只需要幾微秒，在當(dāng)時(shí)的設(shè)備條件下根本測(cè)不出來(lái)。伽利略也承認(rèn)，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)他沒(méi)有測(cè)出光速，也沒(méi)有判斷出光速是有限的還是無(wú)限的結(jié)論。不過(guò)，伽利略說(shuō)：“即便光速是有限的，也一定快到不可思議?！?/p>

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1610年，伽利略利用自己改進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，其中木衛(wèi)一最靠近木星，每42.5小時(shí)旋轉(zhuǎn)一圈。而且，木衛(wèi)一的軌道平面非常接近木星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道，所以，有時(shí)候木衛(wèi)一會(huì)轉(zhuǎn)到木星背面，太陽(yáng)的光無(wú)法照射到木衛(wèi)一，地球上的人就看不到這顆衛(wèi)星了，稱為木衛(wèi)一蝕。

我們來(lái)看一個(gè)示意圖，地球在繞著太陽(yáng)A在圓軌道FGLK上逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，木衛(wèi)一繞著木星B也在逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。在木星背后CD之間是木星的陰影區(qū)，如果木衛(wèi)一進(jìn)入這部分陰影，太陽(yáng)光照射不到木衛(wèi)一，人們就無(wú)法看到它的。也就是說(shuō)，當(dāng)木衛(wèi)一到達(dá)C點(diǎn)時(shí)就會(huì)消失，稱為“消蹤”，如果木衛(wèi)一從陰影出來(lái)，就能夠被人觀察到，也就是木衛(wèi)一到達(dá)D點(diǎn)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)，稱為“現(xiàn)蹤”。羅默就是利用這個(gè)現(xiàn)象測(cè)量光速的。

首先，我們研究地球靠近木星的時(shí)候發(fā)生的消蹤和現(xiàn)蹤現(xiàn)象。

當(dāng)木衛(wèi)一到達(dá)C點(diǎn)時(shí)進(jìn)入陰影，這個(gè)現(xiàn)象的光需要傳播一段距離才能到達(dá)地球。假設(shè)光從C傳播到地球時(shí)地球位于F點(diǎn)，那么人們觀察到消蹤現(xiàn)象就比木衛(wèi)一進(jìn)入陰影時(shí)間晚了一些，這段時(shí)間等于CF長(zhǎng)度與光速之比。

當(dāng)木衛(wèi)一到達(dá)D點(diǎn)時(shí)走出陰影，重新反射太陽(yáng)光。這個(gè)現(xiàn)象也需要一段時(shí)間才能到達(dá)地球。由于地球在運(yùn)動(dòng)，當(dāng)這束光到達(dá)地球時(shí)假設(shè)地球位于G點(diǎn)，那么，人們觀察到現(xiàn)蹤現(xiàn)象也比木衛(wèi)一走出陰影時(shí)間晚了一些，這段時(shí)間等于DG長(zhǎng)度與光速之比。

但是，由于CF比DG長(zhǎng)，所以消蹤時(shí)間延遲比現(xiàn)蹤時(shí)間延遲多，即晚發(fā)現(xiàn)消蹤，早發(fā)現(xiàn)現(xiàn)蹤。消蹤與現(xiàn)蹤的時(shí)間間隔比木衛(wèi)一在陰影中的時(shí)間要短。我們可以用一個(gè)線段圖表示這個(gè)關(guān)系。

同樣，我們可以討論地球遠(yuǎn)離木星時(shí)的消蹤和現(xiàn)蹤現(xiàn)象。

如果地球到達(dá)L發(fā)現(xiàn)木星消蹤，到達(dá)K發(fā)現(xiàn)木星現(xiàn)蹤，由于地球在遠(yuǎn)離木星，所以LC的長(zhǎng)度小于KG的長(zhǎng)度，早發(fā)現(xiàn)消蹤，晚發(fā)現(xiàn)現(xiàn)蹤，人們觀察到消蹤和現(xiàn)蹤的時(shí)間間隔就會(huì)比木衛(wèi)一實(shí)際在木星陰影中的時(shí)間長(zhǎng)。

1671年到1673年，羅默多次進(jìn)行了觀測(cè)，并且得出在地球遠(yuǎn)離木星時(shí)消蹤現(xiàn)蹤時(shí)間差比靠近時(shí)長(zhǎng)了7分鐘，并得出了光的速度在十的八次方米每秒的量級(jí)。

牛頓和惠更斯這兩位科學(xué)巨匠雖然在光到底是粒子還是波的問(wèn)題上爭(zhēng)執(zhí)不休，但是在光速測(cè)量上都支持了羅默的方法。牛頓還測(cè)量了光從太陽(yáng)發(fā)射到地球需要八分鐘的時(shí)間，也就是說(shuō)：我們看到的太陽(yáng)是八分鐘以前的太陽(yáng)。太陽(yáng)如果某個(gè)時(shí)刻熄滅了，我們也只能在八分鐘之后才知道。

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邁克耳孫

200年之后，第一個(gè)把光速測(cè)量精度大幅提高的人是美國(guó)物理學(xué)家邁克耳孫。

在1877到1879年，邁克耳孫改進(jìn)了傅科發(fā)明的旋轉(zhuǎn)鏡，示意圖如下：

邁克耳孫在相隔較遠(yuǎn)的兩處分別放置八面鏡M1和反射裝置M2M3，讓一束光從八面鏡中的某個(gè)面反射，經(jīng)過(guò)反射后通過(guò)M2和M3反射回八面鏡，并從另一個(gè)面反射后進(jìn)入觀察目鏡。只有在如圖所示的位置時(shí)，觀察目鏡處才會(huì)有光。如果八面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)界面1反射的光就無(wú)法照射到M2，觀察目鏡上就看不到光了。

如果讓八面鏡旋轉(zhuǎn)起來(lái)，并且角速度逐漸增大，會(huì)發(fā)現(xiàn)在某個(gè)時(shí)刻又可以從觀察目鏡中看到光了。這是因?yàn)楫?dāng)某時(shí)刻界面1剛好傾斜45度角時(shí)，光線經(jīng)過(guò)界面1反射到達(dá)M2，再返回八面鏡時(shí)，八面鏡剛好轉(zhuǎn)動(dòng)一格（八分之一周期），于是界面2剛好跑到圖中3的位置，將光線反射進(jìn)入觀察目鏡。由于視覺(jué)暫留現(xiàn)象，觀察目鏡中一直可以看到光。

假設(shè)左右兩套裝置相距為L(zhǎng)，當(dāng)八面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)周期為T(mén)時(shí)可以從觀察鏡中看到光，由于L遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它部分的長(zhǎng)度，所以光從界面1反射到左側(cè)，再回到右側(cè)八面鏡走過(guò)的距離為S=2L

根據(jù)剛才的分析，光來(lái)回運(yùn)動(dòng)一次，八面鏡剛好走過(guò)1格，時(shí)間

t=T/8

因此光的速度為

v=S/t=(2L)/(T/8)=16L/T

根據(jù)這個(gè)原理，邁克耳孫得到了光的速度為299853±60 km/s，與我們今天測(cè)量的更加精確的值非常接近。

現(xiàn)在，人們使用更加精確的方法得到光在真空中的速度為299792458m/s，并且利用光速來(lái)定義“米”的概念。1米就等于光在真空中傳播299792458分之一秒內(nèi)傳播的距離。

如果距離非常大，人們就使用光年的概念：1光年等于光在一年中走過(guò)的距離，大約十的十六次方米。我們能看到幾百萬(wàn)光年之外的恒星，那是因?yàn)槟切┖阈窃缭趲装偃f(wàn)年前就開(kāi)始發(fā)光了，直到今天它們發(fā)的光才到達(dá)地球。換句話說(shuō)，我們看到的是它們幾百萬(wàn)年前的樣子，今天它還存在不存在，還是個(gè)未知數(shù)呢！

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來(lái)源：李永樂(lè)老師