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第11章 光每秒行进的距离

在光速面前,“光阴似箭”这样的比喻显得非常不贴切,因为光的速度实在太快了,它是目前我们的科学理论所能确定的物体运动的最快速度。

人类很久以前就开始对光感兴趣。古代学者根据观察已经知道:光能够沿着直线路径行进;光从镜面反射的角度等于它射向镜面的角度;光束从空气中进入玻璃、水或者其他透明物质时会发生折射;……

我们都知道伽利略是欧洲文艺复兴时期最著名的科学家之一,据传是他最早在比萨斜塔上进行了自由落体实验,此外他还发明了望远镜。但很多人可能不知道,伽利略还是头一个试图测定光速的人。他让两个人各执一盏灯分别站在两座山头上,一人将灯打开,另一人看到后也立刻打开灯,通过测量两座山头的距离和两人先后开灯的时间差来计算光速。显然,用这种方法根本不行,因为光跑得太快了,人的反应速度不足以反映实际的时间差。

半个世纪之后,丹麦天文学家罗默根据木星卫星的星蚀时间,首次计算出光的传播速度大约是22.5万km/s,但同时代的人都不相信,因为这个值太大了。

1849年,法国科学家斐索利用高速旋转的齿轮,让光束通过齿轮的间隙射向8km外的镜子,再反射回来,通过测量齿轮的转速,计算出光速约为30万km/s。同时代的法国物理学家傅科也进行了类似的实验,他还测定了光在各种液体中的速度,发现远远低于在空气中的速度。

美国科学家迈克尔逊从1879年开始,对斐索与傅科的光速测量方法不断进行改进。1882年迈克尔逊和化学家莫雷开始合作进行测光速实验。他们使用长达1.6km的抽去了空气的钢管,测出光在真空中的速度为299796km/s,并且还证实了各种不同波长的光在真空中的速度都是一样的。1887年,迈克尔逊和莫雷通过光的测量实验,动摇了牛顿经典物理学的基础。

美国科学家迈克耳逊从古希腊时起,就有人不断提出自然界存在一种被称为“以太”的介质,认为光在真空中是通过“以太”来传播的。17世纪包括牛顿在内的许多科学家都相信这个说法。牛顿提出,空间(包括“以太”)本身是静止的,因此称为“绝对空间”,地球、太阳、恒星以及宇宙万物都在其中作相对运动,只要确定物体相对于“以太”的运动,就能找到这个物体的“绝对运动”。

为了检验这一点,迈克尔逊和莫雷利用光的干涉现象进行了非常精确的测量,结果不管将仪器朝着地球运动的哪个方向,都始终没有发现地球有任何相对于“以太”的运动。如此一来,只有两种可能,要么是“以太”随着地球一起运动,但这会使“以太”变得毫无意义;要么是根本就没有“以太”这种东西。而无论哪种情况,都不存在牛顿所说的“绝对运动”或“绝对空间”。这项发现后来导致了相对论的诞生。迈克尔逊因此而获得了1907年的诺贝尔物理学奖。

进入20世纪后,科学家通过更精密的实验确定光速为299792.4km/s。

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