光速是最快的速度,那么是如何被人们测量出来的呢?
100多年前,人类历史上最伟大的科学家爱因斯坦告诉我们,光速是宇宙中最快的速度,没有什么能超越它。
到目前为止,虽然偶尔会出现超光速现象,但大多数科学家仍然以此理论为标准,经常寻找证据来解释超光速现象的问题。因此,光速作为宇宙中最快的速度,依然牢不可破。
那么,科学家是如何把光速测量得如此之快的呢?
光速是每秒30万公里。科学家是如何测量的?
事实上,光速的测量经历了一个漫长的过程。人类的智慧不断提高,终于这个伟大的事业完成了。今天,让我们来看看科学家是如何测量光速的。
亚里士多德是古希腊著名的代表人物(虽然他不是希腊人)。虽然他的一些理论被推翻了,但在当时很受欢迎,甚至被捧上天。
以亚里士多德为代表的古希腊人也认为光速是最快的。但不像爱因斯坦,他们认为光速是无限的,这就是所谓的距离效应。也就是说,无论多远,光都可以在一端被点亮,另一端同时接收到光。因此,对他们来说,测量光速是完全荒谬和不必要的。
我不能怪他们,毕竟那时候地球的距离是他们控制不了的,欧洲的距离也不可能控制。所以无论是他们的生活范围,还是他们的科学认识,都导致了他们对光速看法的局限性。
在大家的印象中,最能打亚里士多德脸的人是伽利略。其实比萨斜塔的实验已经基本被证伪了。然而,伽利略敢于质疑并付诸实践的精神是绝对正确的。
他不相信光速无限,坚持自己做实验。于是,他和助手爬上两座小山,做了实验。他的实验原理很简单。他的助手拿着一盏非常非常亮的灯,用一块木板挡住它。然后,助手把板子拆了,把灯露出来。伽利略计算助手移开板子和他看到的光之间的时间差,用时间除以距离,就是光速。
现在我们知道伽利略的实验是不可能产生结果的,因为光速太快了。不要说两座小山,就算它们站在地球的两端,光速从一端传到另一端(我们按直径算,不按周长算),也只需要不到0.05秒,也就是不到50毫秒。就连运动员也需要150毫秒才能做出反应。因此,伽利略这种方法,不可能测量光速,最多是测量他的反应速度。对此,他也承认了。
伽利略失败了,但他的贡献使测量光速成为可能。他的实验告诉我们,如果要测量光速,就必须有更长的距离。而他更重要的贡献是告诉别人,望远镜可以看天空和星球。此外,他还发现了木星的四颗卫星,被称为伽利略卫星。木卫一在测量光速方面起着重要的作用。
1676年,一个叫奥勒·罗默的人偶然测量了光速。
说起来,他是无心的,因为他只是想把木卫一的公转周期作为天文学上的一个精确的“钟”来测量。这个测量方法其实很简单。如果木卫一跑到木星挡住太阳的位置,我们就看不见了;如果它运行这个影子,我们可以看到它。
你可以看到这个图,a是太阳,EFGHLK所在的圆是地球轨道,b是木星。当Io跑到光盘之间的阴影处时,我们看不到它。所以只要多次测量它的两个表象的时间差,就可以知道它的公转周期。
那么,问题就来了:每隔一段时间,测得的数据就不一样。
罗默认为,这不可能是木卫一运行不规律造成的,不符合天体物理定律。唯一的解释是光不是瞬间传播的,但是光速是有限的。于是,他通过这个发现开始测量光速。
确定大小
假设我们从地球北极上方看太阳系,那么地球、木星、木卫一都是逆时针旋转的。如果地球移动到F点,木卫一被木星挡住,也就是木卫一在C点的时候,由于光速需要时间传播,我们看到木卫一在F点到达C点的时候其实是几分钟前,而且实际上是在CD之间。
当木卫一在D点重新出现时,地球可能已经移动到了G点(为了方便大家,尺度会很不平衡,只要我们明白真相)。同样的,就像我们看到F时Io和C之间的延迟一样,其实是几分钟前Io到达g时的D。
由于木星公转速度相对较慢,我们认为它几乎没有移动。然后,显然DG比CF短,所以虽然有延迟,但是DG距离比CF短,所以延迟相对较短。这意味着在FGs之间测量的Io消失时间比实际消失时间短。
你被蒙蔽了吗?
核心部分,我们打个比方。
假设你在玩王者荣耀,但是你用的网很卡。游戏开始的时候,你还在拖延时间,直到开场10秒后才进入游戏。结果你发现忘了打开WiFi,就切换到了WiFi。不过这个WiFi信号也不好,只比流量快一点点,延迟8秒。结果这个游戏结束了,你在峡谷里跑了8秒才知道结果。所以,如果整场比赛持续15分钟,你只打了14分58秒。
明白了吗?
另一方面,当地球远离木星时,情况正好相反。当地球发现木卫一在L处C处消失,木卫一在K处D处出现时,也要考虑延迟效应。这一次相当于你用WiFi玩游戏,但是中途WiFi被切断,流量较慢,所以你玩游戏的时间比游戏的实际时间长,也就是木卫一的地球测量消失——出现的时间比木卫一实际消失——出现的时间长。
然后罗默开始假设如果光速等于地球直径,而木卫一公转时地球移动的距离是地球直径的210倍(我不知道他是基于什么假设),那么木卫一的光传到地球的时间就是210秒(也就是游戏实际时间和你玩的时间的时间差),也就是三分半钟。换句话说,当地球靠近木星时,木卫一会消失3.5分钟,当它远离木星时,会持续3.5分钟,加起来就是7分钟。
实际观察的结果是两者相差不到7分钟,差很多。可以看出,光在一秒钟内传播的速度远远超过了地球的直径。他推测光速大约是每秒10到8次方米。
别说,这和目前的数据是一个数量级的——虽然他的假设有点离谱。
粗略计算
那么,在确定了震级之后,能否更精确一些呢?
加拿大
对于Io的革命时期,虽然不完全准确,但基本没有问题,大概是42.5天。也就是说,如果观察位置不变,木卫一消失的周期应该是42.5天。如果位置改变,是光速造成的。
从1668年到1678年,罗默继续观察了11年(恐怕你忘了罗默是谁……)。发现木卫一消失的时间比地球离木星最远时最近的地方晚了22分钟。而这个时间就是地球在太阳两边带来的光速的移动时间。所以只要解决了地球半径的问题,光速的问题就可以解决。
但是,如果你还记得前一期的《科学有意义》一栏关于太阳与地球距离的测量,你会发现人类此时还没有准确测量出太阳与地球的距离。所以罗默测量的是时间,没有距离,那么速度怎么算呢?
其实罗默的计算,到此为止。很多人认为罗默第一次计算了光速,其实他只是提供了参考。此外,通过复杂的计算,他得出结论,光每秒传播的距离大于地球的直径,仅此而已。
他的论文发表后,惠更斯看到了。根据他自己的天文数据,即太阳和地球之间的大致距离,他得出光速约为每秒22万公里。同时牛顿计算出是21万公里每秒。他没有说他算的是什么,所以很难相信他没有借鉴罗默的学术成果。牛叔和惠叔在争论光是波还是粒子,所以也有可能是牛顿不愿意落后惠更斯才偷偷“抄作业”~
显然,惠更斯和牛顿都没有精确测量光速,大约是现代数据的70%。这是因为当时人们没有关于太阳和地球之间距离的准确数据。
当然,即使知道太阳和地球的距离,罗默的数据也不准确。可能导致误差的因素很多,比如当时仪器的精度,木星的运动等等。当然,木星的运动最终会归于日地距离,因为一旦确定了日地距离,就可以确定木星的轨道。
无论如何,对于16世纪的人来说,能够测量这个水平是非常了不起的。
通过测试路程和时间进行计算。速度等于路程除以时间,因此可以通过路程和时间进行测算出速度。
光速是299792458m/s ,这个结果是由很多不同时期的科学家的努力而来的,最后迈克尔逊借凭旋转棱镜法得到了299796000 m/s这一数值 。然后利用大学物理以及微积分的知识,在1972年的时候,科学家埃文森测算出了最佳数值:299792457.4±0.1 m/s。
一个叫奥勒·罗默的人偶然测量了光速。
他是无心的,因为他只是想把木卫一的公转周期作为天文学上的一个精确的“钟”来测量。这个测量方法其实很简单。如果木卫一跑到木星挡住太阳的位置,我们就看不见了;如果它运行这个影子,我们可以看到它。
你可以看到这个图,a是太阳,EFGHLK所在的圆是地球轨道,b是木星。当Io跑到光盘之间的阴影处时,我们看不到它。所以只要多次测量它的两个表象的时间差,就可以知道它的公转周期。
那么,问题就来了:每隔一段时间,测得的数据就不一样。
罗默认为,这不可能是木卫一运行不规律造成的,不符合天体物理定律。唯一的解释是光不是瞬间传播的,但是光速是有限的。于是,他通过这个发现开始测量光速。
光速是怎样测量出来的
光速是人类已知最快的速度,那世界上最慢的速度是什么?
答案1:运动是相对的,除了光速运动的物体以外,物体相对自身总是静止的,这可以看成是最慢得了。如果你不满意物体相对自身的静止,希望找到相对运动最慢,也就是想找相对运动最小的两个物体,即物体对。那么:答案2.在牛顿物理,狭义相对论,广义相对论的范围内,两个物体相对静止,只是一种理想化,...
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世界上最快的是光速,那么最慢的是什么呢?
如果用数字表示就很明显,最快的速度是30万公里,那么最慢的就是0了。虽然只有相对静止,但特定情况先速度为0也是很常见的。记得采纳啊
世界上最快的速度是什么?
在已知的世界里,最快的速度是光速。真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度。光在真空中的速率是299,792,458米\/秒,约3×10ˆ5千米\/秒,是已知的速度上限。
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