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科學(xué)家們怎樣測定光速

科學(xué)家是怎么樣測量計(jì)算光速的呢在人類歷史上，科學(xué)家對光速測量可以分為六個(gè)階段。
1、首先，第一個(gè)發(fā)起挑戰(zhàn)的是物理屆大神伽利略，他設(shè)計(jì)了史上第一個(gè)的測定光速實(shí)驗(yàn) 。早在1638年之前，他找來兩個(gè)人和兩盞燈籠，讓他們分別站在兩座相距一英里的山頂上。第一個(gè)人舉起燈籠時(shí)便開始計(jì)時(shí) ，第二個(gè)人看到第一個(gè)人的燈籠便也立即舉起自己的燈籠，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)人看到第二個(gè)人的燈籠時(shí)便停止計(jì)時(shí)，這樣一來二去就可以得到光行進(jìn)兩英里所需要的時(shí)間，從而求出光的速度。如今我們已經(jīng)可以計(jì)算出，光行走兩英里所需要的時(shí)間大約是11微妙，這是不可能被人所察覺的，所以說實(shí)驗(yàn)的誤差太大，絕對不可能成功。

伽利略也承認(rèn)，自己的實(shí)驗(yàn)沒辦法給出確切的光速，他只知道，光的速度一定非?？?。雖然這個(gè)燈籠實(shí)驗(yàn)質(zhì)樸得有點(diǎn)好笑，但是這個(gè)嘗試卻為光速的測定開了先河。作為科學(xué)界的紅人，伽利略也引領(lǐng)時(shí)尚，為這個(gè)物理問題帶來了不少關(guān)注。

2、第二個(gè)就是著名的羅默測定光，他是第一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)測出光速的科學(xué)家，感興趣可以查一下，這里做一下簡單介紹。在巴黎天文臺就職的丹麥天文學(xué)家奧勒·羅默（Ole Rmer）是世界上第一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)測量給出光速具體數(shù)值的人。他進(jìn)行推算的沙盤，大到讓人感到不可思議：羅默是靠木星及其衛(wèi)星的移動(dòng)、與太陽及地球的位置關(guān)系估算出光速的。

這還要感謝日心說的創(chuàng)始人伽利略。1610年，伽利略通過望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)木星周圍的四個(gè)天體，并觀測到它們會(huì)忽然消失，據(jù)此，他推斷這四個(gè)天體是木星的衛(wèi)星，在圍繞木星旋轉(zhuǎn)的某些時(shí)刻，它們會(huì)藏到木星的背后。這是伽利略推翻“日心說”的有力證據(jù)，這個(gè)現(xiàn)象也被稱為“行星掩星” ，而其中最靠近木星的衛(wèi)星一號（木衛(wèi)一）的此種現(xiàn)象，被稱為“木衛(wèi)一蝕” 。羅默認(rèn)為，雖然木衛(wèi)一蝕的周期恒定，但由于地球與木星距離的改變，觀測到木衛(wèi)一蝕的時(shí)間也會(huì)有所改變。簡單地說，當(dāng)?shù)厍蛟诠D(zhuǎn)軌道上靠近木星的位置上時(shí)，會(huì)更早地看見木衛(wèi)一現(xiàn)蹤，而當(dāng)?shù)厍蛞苿?dòng)到離木星較遠(yuǎn)的位置上時(shí) ，光行進(jìn)到地球所需的時(shí)間就會(huì)變長，那么木衛(wèi)一現(xiàn)蹤的時(shí)間就會(huì)推遲。這個(gè)時(shí)間差足夠大，比起伽利略的燈籠實(shí)驗(yàn)，可觀測性要大多了。
羅默花了十幾年時(shí)間來觀測木衛(wèi)一蝕，他只憑借著望遠(yuǎn)鏡、手表，記錄一年之中不同日子里木衛(wèi)一蝕的時(shí)間差，再計(jì)算這些時(shí)刻地球位置的改變，便得到了非凡的結(jié)果：他預(yù)言，1676年11月9日上午5點(diǎn)25分45秒發(fā)生的木衛(wèi)一現(xiàn)蹤將推遲10分鐘。巴黎天文臺的其他同事懷著將信將疑的態(tài)度，觀測并驗(yàn)證了他的預(yù)言。羅默還推算出光速大約為220000千米/秒。
3、第三次實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵詞是8公里外的反光鏡，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是第一次在地球上測量光速的實(shí)驗(yàn) 。羅默過后的科學(xué)界一片沉寂，花了差不多兩百年，才出現(xiàn)了愿意投身測量光速的新人。1849年，法國物理學(xué)家阿曼達(dá)·斐索（Armand Fizeau）首次在地球上測量出了光的速度。

斐索使用了一個(gè)擁有720個(gè)齒輪的遮板，旋轉(zhuǎn)的速度為12.67轉(zhuǎn)/時(shí)，通過這種方法，斐索算得光速是315000千米/米，之所以和目前的光速有著一定差距，是因?yàn)檎诎妪X輪擁有一定的寬度，因此限制了測算的精確度。

4、第四次測量實(shí)驗(yàn)同樣是站在前輩的肩膀上，由物理學(xué)家傅科完成的（著名的傅科擺就是這家伙發(fā)明的）。1862年，法國物理學(xué)家萊昂·傅科（Léon Foucault）在斐索的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，將旋轉(zhuǎn)的遮板換成了旋轉(zhuǎn)的平面鏡，光在遠(yuǎn)方折返回來后打在旋轉(zhuǎn)鏡上，只要知道平面鏡的旋轉(zhuǎn)速度、光束最后被平面鏡反射出去的角度，就可以計(jì)算出光的速度。經(jīng)過多次測算，傅科的光速刷新了歷史，精確到了298000千米/秒，離如今的約299792千米/秒已經(jīng)非常接近。

上面提到的測量方法，都是基于“距離-時(shí)間-速度”的公式計(jì)算的。想要提高精確度，唯一的方法就是拉長測算的距離。1926年，一個(gè)叫麥爾克遜的美國人將反射鏡間的距離提高到了35公里，測得光速為299796千米/秒。這是當(dāng)時(shí)最精確的數(shù)值，但很快人們就發(fā)現(xiàn) ，想要計(jì)算最精確的數(shù)字，靠原始的光學(xué)法是行不通的。
5、從20世紀(jì)初開始，科學(xué)家們開始試著用電子學(xué)的方法測量光速。這也標(biāo)志著，光速的測定從遙遠(yuǎn)的天上、田野里轉(zhuǎn)移回了實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家們埋頭在微小的電路板間、精巧的光電器械中苦修。1972年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的科學(xué)家們利用激光干涉法測量光速，得到了299792456±1.1米/秒的數(shù)值。
激光干涉法是什么意思呢？簡單地說，一束頻率已知的激光被分開成兩半，行走不同的路徑，之后再被匯合起來。科學(xué)家們在觀察干涉圖樣的同時(shí)調(diào)整路徑的長度，就可以計(jì)算出精確的波長、從而計(jì)算光速。

6、最后一次，就不是繼續(xù)精確測量的，因?yàn)樯弦淮螌?shí)驗(yàn)已經(jīng)足夠精確。這個(gè)數(shù)值有多么精確呢？事實(shí)上，它唯一的不確定性主要來自于“米”定義的不確定性。也就是說，錯(cuò)的不是光速，而是米。為了解決這個(gè)問題， 1983年，在第17屆國際度量衡大會(huì)上，人們重新定義了“米”，從那以后，1米就是光在真空環(huán)境下1/299792458秒內(nèi)通過的長度。這個(gè)決定徹底解決了光速測量的問題，給這段長達(dá)300 年的物理學(xué)史畫上了圓滿的句號。