测量光速最快的方法(光速应该怎么测量)

哈喽朋友们,【科学有道理】之光速测量栏目,不知不觉已经讲到第三期了。

从古希腊时期亚里士多德认为的光速无限,到科学大神伽利略测量失败,再到牛顿时代测量的非常粗略的光速数据,最后到迈克尔孙精确测量光速,人类测量的方法不断改进,对光速的认识也越来越准确。

测量光速最快的方法(光速应该怎么测量)(1)

不过,说到底,这些都是近似值。那么,光速的精确值到底是多少呢?读完文章,你就……服了,原来光速和长度最终达成了这样的“协议”……

现代光速

上一期,我们提到了傅科、迈克尔孙的实验,测量到了非常精确的光速。我们也又讲,在傅科的计算结果出炉的时候,另一个人震惊了,他就是著名的科学大神——麦克斯韦。他发现,傅科测量的光速,和他理论推导的电磁波速度非常近似,于是开始怀疑光速和电磁波在本质上是一样的。可惜,他还没来得及推导,就被死神给推倒了。

测量光速最快的方法(光速应该怎么测量)(2)

到了20世纪,光的本质已经越来越清晰,最终科学家们确定,光确实是电磁波的一种。所以,如果想要知道光速,利用波的原理就可以测量。这个原理,就是基本的高中物理知识了:波速=波长乘以频率。

到了1972年,美国国家标准局的埃尔森测量了甲烷激光的波长和频率。这种方法,可以大大减少有可能导致误差的因素,因此频率和波长的测量是相对非常精确的,所以他计算的光速也是极其精准的,结果为299792.5±1km/s。

不仅如此,在1983年的时候,国际计量大会决定,国际长度单位——米,将根据光速重新定义。换句话说,我们追求的不再是光在每秒能传播多少米,而是以光的速度来定义1米有多长。从此,1米的定义就是:真空中的光在一秒内传播距离的1/299792458。

测量光速最快的方法(光速应该怎么测量)(3)

至此,关于光在真空中的传播速度,彻底画上了一个句号。而根据爱因斯坦的相对论,这也是宇宙物质的速度上限,决定着宇宙的命运。

你也能测量光速

曾经难倒大量科学家的光速,其实现在你在家就能测量,那就是利用家里的微波炉。

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在学习这个方法之前,我们要先明白微波炉的原理。微波炉之所以可以加热食物,是因为它可以发出超高频率的微波。自然界中的微波其实到处都是,但它们不能加热物体,关键在于它们过于分散。而微波炉则是构成了一个封闭的微波谐振腔,集中放射高频率微波。通过微波振荡食物内部的微粒,激起这些粒子的微观运动更加剧烈,宏观上的表现就是升温了。

微波和光波一样,本质上都是电磁波。因此,只要计算出你家微波炉所发射的微波的速度,就可以计算光速了。

这里微波的速度计算,也是很简单的,其实也是和埃尔森一样,先求出波长和频率就可以。频率很简单,因为微波炉的标签上写得明明白白,一般都是2450M赫兹,也就是每秒钟振荡24.5亿次(如果你想试一试做这个实验,就具体参照你家微波炉的频率)。所需要求的,就是波长了。

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我们知道,所谓的微波,其实就是波长在0.1毫米~1米之间的电磁波。放心,你家微波炉的微波波长不会恰好就在下限范围,总之,这个波长用你家的尺子就可以测量出来。

说了这么多,这个波长怎么测量呢?

其实很简单,拿一块比较大的巧克力就行了。如果不放巧克力,黄油这种比较容易融化的东西也行,本文就按巧克力说吧。接下来,按照宋丹丹往冰箱里放大象的步骤,把巧克力放进去。

加热。

时间不需要长,10秒10秒来就行,如果全都融化了,就没法测量了。

如果你加热的时间控制得好,那么你就会发现这块巧克力不是全部融化,而是从中间融化的,而且不是连续融化的,是一块一块融化的。那么,这两个融化点的圆心之间的距离,就是半个波长。

为啥是半个波长?

因为电磁波是横波啊,也就是波浪形的,就是下图这样的。

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字母是用鼠标写的,有点丑,大家别喷我……

你的巧克力是放在这条横线上的,黄色的圈构成的曲线就是微波的图像,A~C才是一个完整的周期,但是B也在线上,所以A、B、C三点都会有巧克力融化的小洞。

所以,AC的长度就是你家微波炉所释放微波的波长,再乘以标签上的频率,就知道电磁波、也就是光的传播速度了!

看,科技的发展,让以前无数科学家用精密仪器、绞尽脑汁的办法,都难以测量的光速,变成了我们普通人家都可以测量的数据。

为了满足某些人自己动手的欲望,我们这里就不给数据了,大家感兴趣可以自己在家做实验,测算光速哦。看过前几期节目的朋友还记得,牛顿当时估算的光速每秒21万公里,是现在精确数值的70%左右。毕竟,那时候也没有微波炉这种“高科技”产物。

测量光速最快的方法(光速应该怎么测量)(7)

我想说,用你家的微波炉测量光速虽然不会有现代科学家那么精确,至少比牛顿大爷估算的数据准确得多……

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