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第三章 光的速度(3)

時(shí)間的形狀:相對論史話 作者:汪潔


接下來的事情就像一場比賽,大家比賽看誰能更精確地測量出光速。在這場比賽中,有兩大陣營,就是天文學(xué)家陣營和物理學(xué)家陣營。天文學(xué)家用天文觀測的方法來計(jì)算光速(除了利用我們前面說到的類似羅默觀測木星衛(wèi)星的方法來觀察其他行星的衛(wèi)星,還有一種方法叫光行差,這里不多介紹,有興趣的可以自己網(wǎng)上查),而物理學(xué)家試圖在實(shí)驗(yàn)室中精確地測量出光速。剛開始,天文學(xué)家一直跑在前面,畢竟光的速度太快了,在天文的大尺度范圍內(nèi)顯然更容易觀測到因?yàn)楣馑儆邢薅a(chǎn)生的各種天文現(xiàn)象,但對實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來說,要想讓實(shí)驗(yàn)的精度提高到足以測量光速,那真是比登天還難。不過,普通大眾總是更愿意相信實(shí)驗(yàn)室中的數(shù)據(jù),畢竟天文觀測離我們太遙遠(yuǎn),人們迫切地希望能在實(shí)驗(yàn)室中真正測量出光速來,畢竟看得見摸得著的實(shí)驗(yàn)設(shè)備還是更讓人覺得溫暖一點(diǎn),但是想要提高實(shí)驗(yàn)精度談何容易。因此一直到羅默證明光速有限后又過去了170多年,直到1849年,法國物理學(xué)家菲索(1819-1896)想出了一個(gè)絕妙的主意來測量光速,這個(gè)點(diǎn)子實(shí)在是太棒了,下面我們來看看菲索的旋轉(zhuǎn)齒輪法是如何測定光速的,凡是見過這套實(shí)驗(yàn)設(shè)備的人無不拍案叫絕。

一束光穿過齒輪的一個(gè)齒縫射到一面鏡子上,然后光會(huì)被反射回來,我們在這個(gè)鍍了銀的半透鏡后面觀察(這種鏡子有種特殊的性質(zhì),就是一半的光會(huì)被反射掉,一半的光會(huì)被透射過去,這種現(xiàn)象一點(diǎn)都不稀奇。你在家里對著窗戶朝外看,如果明暗合適,就既能看到自己的影像又能看到外面的景物,這就是光的半透射現(xiàn)象),你想一下,如果齒輪是不轉(zhuǎn)的,那么被反射回來的光原路返回,仍然通過那個(gè)齒縫被我們看到。此時(shí),你開始轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪,在剛開始轉(zhuǎn)速比較慢的時(shí)候,因?yàn)楣馑俸芸?,光仍然?huì)通過這個(gè)齒縫回來。但是當(dāng)齒輪越轉(zhuǎn)越快,越轉(zhuǎn)越快,到一個(gè)特定的速度時(shí),光返回的時(shí)候齒縫剛好轉(zhuǎn)過去,于是光被擋住,我們就看不到那束光了。當(dāng)齒輪的轉(zhuǎn)速繼續(xù)加快,快到一定程度時(shí),光返回的時(shí)候恰好又穿過下一個(gè)齒縫,于是我們又能看見了。這樣的話,我們只要知道齒輪的轉(zhuǎn)速,齒數(shù),還有我們的眼睛距離鏡子的距離,就能計(jì)算出光速。注意,這個(gè)實(shí)驗(yàn)的最偉大之處就是不再需要一個(gè)計(jì)時(shí)器,之前所有的實(shí)驗(yàn)室測量光速都失敗的根本原因都在于找不到有足夠精度的計(jì)時(shí)器。但是你們也別以為菲索很輕松,事實(shí)上因?yàn)楣馑賹?shí)在太快了,菲索只能不斷地加大光源到鏡子的距離,這樣就對光源的強(qiáng)度提出了更高的要求,還要不斷地提高齒輪的齒數(shù),因?yàn)辇X數(shù)太少精度也不夠。就這樣,在菲索不懈的努力下,終于當(dāng)齒數(shù)上升到720齒、光源距鏡子的距離長達(dá)8公里之遙、轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到每秒12.67轉(zhuǎn)的時(shí)候,首次看到了光源被擋住而消失。當(dāng)轉(zhuǎn)速被提高一倍以后,他又再次看到了光源。菲索終于勝利了,他計(jì)算出了光的速度是31.5萬公里/秒,這離光速的真相已經(jīng)咫尺之遙了。

光速測量的比賽還在繼續(xù),各種各樣的新方法被發(fā)明出來,實(shí)驗(yàn)精度一步步地提高,但是我們就不再繼續(xù)深究下去了。我只想通過前面的講述讓你明白人類在對光速的測量之路上是如何艱難跋涉的。光速也絕不是某人的憑空想象,是幾代人的不斷努力才發(fā)現(xiàn)的大自然的奧秘。但本章關(guān)于光速的故事才剛剛開始,好戲即將上演。


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