「科學有道理」光速那麼快,科學家是如何測量的

一百多年前,人類歷史上最偉大的科學家愛因斯坦告訴我們:光速是宇宙中最快的速度,沒有什麼可以超過光速。
直到今天,儘管偶爾有超光速現象的存在,但是絕大部分科學家仍然把這個理論奉為圭臬,並且很多時候都找到證據解釋那些超光速現象的問題所在。因此,光速作為宇宙最快速度的地位,依然牢不可破。
那麼,如此快的光速,科學家是怎麼測量出來的呢?
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實際上,對於光速的測量,經歷了一個漫長的過程。人類的智慧不斷進步,才終於完成了這個偉業。今天,咱們就看看,科學家是如何測量光速的。
亞里士多德
亞里士多德是古希臘時期(雖然他不是希臘人)著名的代表人物,儘管他的一些理論都被推翻了,但當時是非常盛行、甚至被捧到天上的。
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以亞里士多德為代表的古希臘人,同樣認為光速是最快的。但和愛因斯坦不一樣的是,他們認為光速是無限的,也就是所謂的超距效應。也就是説,不論多遠,光都可以在一端點亮的情況下,另一端在同時就能接收到這束光。因此,對於他們來説,測量光速完全是荒謬的,沒有必要的。
這不能怪他們,畢竟那個時候,地球的距離都是他們無法駕馭的,能夠駕馭歐洲的距離都不太可能。所以,不論是他們生活的範圍、還是他們的科學認識,都導致了他們對光速看法的侷限性。
伽利略
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在大家的印象中,最能打亞里士多德臉的人,就是伽利略了。實際上,比薩斜塔的實驗,基本已經被證偽了。不過,伽利略敢於提出質疑並付諸實驗的精神,確實一點不假的。
他並不相信光速無限,堅持要自己做實驗。於是,他和他的助手,爬上了兩座山頭,進行了實驗。他的實驗原理很簡單,助手拿着一盞非常非常明亮的燈,用木板擋住它。然後,助手移走木板,露出燈光,伽利略計算助手移走木板和自己看到燈光的時差,用距離除以時間,就是光速了。
現在我們知道,伽利略的這個實驗,是不可能有結果的,因為光速實在太快了。別説兩座山頭了,就算他們站在地球的兩端,光速從一端傳播到另一端(咱就按直徑算,不按周長算了),也僅僅需要不到0.05秒,也就是不到50毫秒。而即使是運動員,反應速度也需要150毫秒。因此,伽利略這種方法,根本不可能測量光速,最多也就是測量一下他的反應速度。對此,他自己也是承認的。
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羅默
無心插柳伽利略雖然失敗了,但他的貢獻卻讓測量光速變為可能。他的實驗告訴我們:想要測量光速,必須要有更遠的距離。而他更重要的貢獻,是告訴別人:望遠鏡這種東西可以看天,看星球。並且,他還發現了木星的四顆衞星,並稱為伽利略衞星。而其中的木衞一,對於測量光速起到了重要作用。
1676年,一個叫做奧勒·羅默的人,意外測得了光速的數值。
説起來,他這也是無心插柳,因為他只是想測量木衞一的公轉週期,以作為天文上的一個精確“時鐘”。這個測量方法其實很簡單,如果木衞一運行到被木星擋住陽光的位置,我們是看不見它的;如果它運行出這個陰影,我們就能看見它。
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大家可以看這個示意圖,A是太陽,EFGHLK所在的圓是地球軌道,B是木星。當木衞一運行到CD之間的陰影時,我們就看不見它。因此,只要多次測量它兩次出現的時間差,就知道了它的公轉週期。
於是,問題出現了:每隔一段時間,測量的數據就不一樣。
羅默認為,這不可能是木衞一運行不規律造成的,這不符合天體物理學的法則。唯一的解釋,就是光並非瞬時傳播,光速是有限的。於是,他轉而開始通過這個發現,來測量光速。
確定量級還是上面的圖,假設,我們是從地球北極的上空看太陽系,那麼地球、木星和木衞一,都是逆時針公轉的。如果地球運行到F點時發現木衞一被木星擋住了(消蹤),也就是木衞一位於C點的時候。由於光速傳播需要時間,所以實際上我們在F點看到木衞一到達C點的時候,已經是幾分鐘之前的事了,它實際上已經在CD之間了。
當木衞一在D點重新出現(現蹤)時,地球可能已經運行到G點了(為了方便大家看,比例會非常失衡,只要我們懂得道理就行了)。同樣的,就像我們在F點看到木衞一到C點有延遲一樣,在G點看木衞一到達D的時候,其實也是幾分鐘之前的事了。
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木星和木衞一
由於木星公轉速度相對較慢,我們認為它基本沒動。那麼,顯然DG的長度要比CF短一些。因此,雖然都有延遲,但是DG距離比CF短,所以延遲也相對短一點。這意味着,我們在FG之間測量的木衞一消失的時間,要比它實際消失的時間短一點。
你蒙了嗎?
針對最核心的部分,我們打個比方。
假設你在玩王者榮耀,但是用的網非常卡。遊戲開始的時候,你還在延遲,開場10秒鐘你才進場。結果你發現自己忘記開WiFi了,於是換成了WiFi。不過這個WiFi信號也不好,只比流量快一點,有8秒的延遲。結果,這局遊戲已經結束了,你還在峽谷裏跑了8秒鐘才知道結果,因此,如果整局遊戲持續了15分鐘,你只玩了14分58秒。
懂了吧?
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反過來説,當地球遠離木星的時候,情況就是相反了的。當地球在L處發現木衞一在C處消失,又在K處發現木衞一在D處出現的時候,同樣要考慮到延遲的效應。這次,就相當於你用WiFi進場玩遊戲,但是中途WiFi斷了改用更慢的流量,所以你玩的時間要比遊戲實際的時間要長,也就是地球測量的木衞一消失-出現時間比木衞一實際消失-出現的時間要長。
然後羅默開始假設:設光速等於地球直徑,而地球在木衞一公轉一圈的期間移動的距離是210倍地球直徑(不知道他是根據什麼假設的),那麼木衞一的光傳播到地球的時間就要差了210秒(也就是遊戲實際時間和你玩的時間差),也就是三分半鐘。換句話説,當地球靠近木星的時候,木衞一消失的時間會短3.5min,遠離的時候會長3.5min,加一起就是7min。
而實際觀測的結果是,二者相差並沒有7min,而且差得很多。由此可見,光在一秒鐘內的傳播速度,遠遠超過了地球直徑。他推測,光速的量級大約是10的8次方米每秒。
別説,和現在的數據還真是一個量級——雖然他的假設也有點離譜。
粗略計算那麼,確定了量級,還能更精確一點嗎?
能。
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對於木衞一的公轉週期,雖然不是完全準確,但是基本是沒有問題的,大約是42.5天。也就是説,如果觀察位置不變,木衞一消失的週期也應該是42.5天。而位置如果變化了,那麼就是光速傳播所導致的了。
從1668年到1678年,羅默持續觀察了11年的時間(前面講得太多,我恐怕你連羅默是誰都忘了……)。測量發現,地球距離木星最遠的時候,木衞一消失的時間要比最近處晚了22分鐘。而這個時間,就是地球在太陽的兩側所帶來的光速移動時間。因此,只要解決地球半徑的問題,就可以解決光速的問題。
不過,如果大家還記得我們以前【科學有道理】欄目關於日地距離測量的那一期的話,就會發現,這個時候人類還沒有精確測量出日地距離。因此,羅默測出了時間,但是沒有距離,這怎麼算速度?
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實際上,羅默的計算,就到此為止了。很多人認為羅默首次計算了光速,但實際上,他更多的只是提供了借鑑。另外,通過複雜的計算,他得出了光每秒傳播的距離比地球直徑更大,僅此而已。
他的論文發表出去後,被惠更斯看見了。他根據自己所掌握的天文數據,也就是比較粗略的日地距離,得到了光速大約是每秒22萬公里。同時,牛頓計算的結果,是21萬公里每秒。他並沒有説自己是根據什麼計算的,因此,我們很難相信他不是借鑑了羅默的學術成果。牛大爺和惠大爺在關於光是波還是粒子的問題上吵得不可開交,所以也有可能是牛頓不甘落在惠更斯後面,才偷偷“抄作業”吧~
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顯然,不論是惠更斯還是牛頓,測量的光速都不準確,大約是現代數據的70%。這是由於當時人們對於日地距離沒有準確的數據,才出現了這個偏差。
當然,即使按照日地距離已知的情況,羅默的數據也不準。這裏面可能導致誤差的因素比較多,比如當時的儀器精密度、木星的運動等等。當然,木星的運動,最終也要歸結到日地距離上,因為一旦日地距離確定,木星的軌道也就可以確定了。
不管怎麼説,對於16世紀的人們來説,能夠測量到這個級別,已經是相當厲害了。
而更精確的數據,則要等到大約200年後,我們下一期再介紹~
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