光究竟有多快-身边的物理

2024-06-12 理论教育版权反馈

【摘要】：光速光究竟有多快在打雷下雨的时候，我们一般都是先看到闪电，然后才听见打雷的声音。经过了多年的研究和证实，光的传播速度大约每秒30万千米，这样快的速度，简单的测量仪根本没有办法测量。五光十色的科幻光速线条超光速运动关于光速有很多的测定方法，大体上分为天文学的测定方法和大陆上的测定方法。迈克尔逊在光速测量这方面付出了常人难以想象的极大的劳动。

光速　光究竟有多快

在打雷下雨的时候，我们一般都是先看到闪电，然后才听见打雷的声音。这是一个很有趣的现象，你知道这是为什么吗？原来，我们之所以会先看见闪电然后才听见打雷，是因为光的传播速度比声音要快。那么，光的速度究竟有多快呢？

光是我们每日都接触到的东西，但是它的速度是多少呢？在文艺复兴之前，人们认为光的传播根本不需要时间。经过了多年的研究和证实，光的传播速度大约每秒30万千米，这样快的速度，简单的测量仪根本没有办法测量。

五光十色的科幻光速线条

超光速运动

关于光速有很多的测定方法，大体上分为天文学的测定方法和大陆上的测定方法。天文学上最早测出了光的速度，这是因为宇宙广阔的空间为测量光速提供了足够大的距离。

1676年，丹麦天文学家罗默首先测出了光速。他成功地找到了离观察者非常遥远而相当准确的“时钟”——木星每隔一定周期所出现的一次卫星蚀。他用光的传播速度是有限的来解释“连续两次卫星蚀相隔的时间，当地球迎向木星运动时，要比地球背离木星运动时要短一些”这个现象，为了取得可靠的结果，他在整年中连续地进行观察，从而通过卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速。但是，由于当时地球轨道的半径只有近似值，故求出的光速只有214300km/s。尽管这个光速值离我们现在所测定的准确值相差甚远，但它却是测定光速历史上的第一个记录。后来人们在地球轨道半径测量准确度提高后，用照相的方法测量木星卫星蚀的时间，再用罗默法求得的光速值为299840±60km/s。

高速摄影机拍下的光线图

高速摄影机拍下的光通过分光镜后的照片(www.chuimin.cn)

在物理学发展史上，意大利物理学家伽利略最早提出用大地测量法测量光速。1607年，他让两个观察者站在相距甚远的位置上，手中各执一盏能遮蔽的灯来进行实验，但是由于光速很大，加之观察者还要有一定的反应时间，所以伽利略的尝试没有成功。

看上去漆黑一片是黑洞强大的引力将光吸收

第二个大地测量法是旋转齿轮法，这个实验方法在1849年首先由斐索提出，他用旋转齿轮定期遮断光线的方法来进行自动记录，所得出来的光速结果为c=2×8633×18244（m/s)≈3.15×10⁸(km/s)。而在1951年，贝格斯格兰用克尔盒法得出来的结论是c=299793.1±0.3km/s。

美国的迈克尔逊把齿轮法和1851年傅科发明的旋转镜法结合起来，创造了新的测速方法——旋转棱镜法。他把旋转镜法中的旋转平面镜用一个正八面的钢质棱镜代替，从而使光路大大地增长，为了减少测量误差，他又利用棱镜转动的速度代替齿轮转速，从而精确地测出光走完整个路程所需的时间。迈克尔逊在光速测量这方面付出了常人难以想象的极大的劳动。从1879～1926年，他曾前后从事光速的测量工作近五十年。1926年他的最后一个光速测定值为c=299796km/s ，这个测定值在当时是最精确的，很快成为当时光速的公认值。

光在不同介质中的传播速度是不一样的，比如光在空气中的速度：3.0×10⁸m/s；光在水中的速度：2.25×10⁸m/s；光在冰中的速度：2.30×10⁸m/s；光在玻璃中的速度：2.0×10⁸m/s。

在迈克尔逊测量光速期间，1887年，他与化学家莫雷合作，运用高精度的迈克尔逊干涉仪开始了著名的以太漂移实验。这个实验原本的结果是为了发现地球轨道与静止以太之间的相对运动，可是结果却发现了用牛顿定律无法解释的没有运动现象。这一现象引起来了众多科学家的震惊和质疑，它就犹如一朵乌云，笼罩在科学史的上空，但是这个结果却为爱因斯坦的相对论创造了条件。

时间膨胀

我们所处银河系的直径约有十万光年。假设有一艘近光速的宇宙船，它需要十多万年的时间，才能从银河系的一端走到另一端，但这只是对于静止的观测者（相对于银河系）而言，在宇宙船上的工作人员实际感受到的旅程只有数分钟。这就是特殊相对论中所提到的移动时钟的时间膨胀现象。

光究竟有多快-身边的物理

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