想要知道这些贴地飞行的摩托车到底有多快,我们有许多方法。
比如已知曼岛TT摩托车赛单圈60.72公里,世界记录16分43秒,我们可以直接计算平均速度——218千米每小时,和民航飞机起飞时的速度相当。
或者跟这位观众一样,直接用测速仪。
测速仪会发射出特定频率的电磁波,而由于多普勒效应,被摩托车反射回来的反射波频率会增加。
经过简单的数学变换就可得出,摩托车的速度等于电磁波频率的变化量和原始频率的比值,再乘上二分之一电磁波的传播速度。
也就是光速——299792458米每秒。
那么问题来了~
如此夸张的光速又是怎么测量的呢?
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↓↓ 唰~唰唰~ ↓↓
↑↑ 嗖~嗖嗖嗖~ ↑↑
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让我们先来做一个简单的实验:这里有两道先后出现的闪光。
现在逐渐减小两道闪光出现的时间间隔,当间隔足够短时,两道闪光在人眼看来就像是同时发生的一样。
实验心理学的先驱们通过许多类似的实验发现,人类视觉能感知到的最短时间大约是30毫秒,远弱于听觉和触觉。
但即便你朝着五公里外的地平线打一束亮光,等这道亮光反射回你的眼睛,所需的时间也比30毫秒短一千倍。
也就是说,生活在地球这颗小行星上的人类,根本不可能仅凭借血肉之躯分辨出“光是在以有限的速度传播”还是“以无限的速度瞬间到达”。
这一争论从古希腊开始持续了2000余年,但正反两方谁也无法拿出有力的证据。
就这样稀里糊涂地到了17世纪,在哥白尼的《天体运行论》发表100余年后,人类逐渐意识到,浩瀚星空不是天幕上的光点,而是相距甚远的宏伟天体。
于是人们得以在更大尺度上观察”光的运动“。
这颗长得像个煎饼的星体是距离木星最近的卫星——木卫一,它的的公转平面和木星的公转平面几乎齐平。
所以木卫一绕木星公转的每圈都会穿过木星的阴影,形成“木卫一蚀”,周期与木卫一的公转周期相等,差不多42个半小时。
天文学家罗默在1668年到1678年这十年间观察并记录了60次木卫一蚀的出现时间,结果发现:
随着地球在公转轨道上移向木星,在地球上观测到木卫一蚀之间的时间间隔将逐渐变短。而当地球远离木星时,木卫一蚀的间隔则逐渐变长。
罗默根据这些数据计算出,当地球距离木星最近时,木卫一蚀将比按照公转周期预测的时间提前约11分钟出现。
而六个半月后,当地球距离木星最远时,木卫一蚀将比预期的时间晚11分钟出现。
这表明光线需要约22分钟的时间,来穿过地球公转直径的距离,速度约为2亿2千万米每秒。
虽然罗默测量的结果比实际光速低了26%,但这个数字在当时也已经大得突破了人们的想象。
此后新的测量实验在设计时纷纷参考这一数据,动辄以几公里的距离来设计光的传播路径。
1849年,法国物理学家菲索和傅科设计了一套非常巧妙的实验设备:
他们让光线从旋转齿轮的齿槽中通过,传播到8公里以外的镜子后,再反射回来。
当齿轮转速足够快时,反射回来的光,就恰好可以被相邻的轮齿完全挡住。
此时就可以根据齿轮的转速求得光往返8公里距离所花的时间,进而算出光的速度。
菲索先后重复了28次实验,最终测得光速约为每秒3亿1500万米,与实际光速仅差5%。
1862年,傅科用旋转的反光镜代替齿轮,改进了先前的实验装置,进一步将测量误差缩小到了0.6%。
而几乎同一时间,麦克斯韦通过方程组计算出电磁波的传播速度,发现其与光速高度吻合。
人们于是意识到,光的本质就是一种电磁波,光速就等于光的波长和频率的乘积。
1972年,美国国家标准局利用干涉仪精确测量了甲烷激光的频率和波长,以此求得的光速为2亿9979万2458.7米每秒。
比此前单位米的测量准确度还高了100倍。
于是在1983年,国际计量大会正式决定,将光速规定为一个精确的固定值,再以它为标准,重新定义了米这个单位:
一米等于光在真空中每秒传播路径的2亿9979万2458分之一。
实际上,利用电磁学知识,你甚至也可以自己的家里用一台微波炉来测量光速,毕竟微波炉的本质就是一个微波谐振腔。
首先移除微波炉的旋转托盘,在其中放入一大块盆猪油,加热一分钟。
此时两个相邻融化点之间的距离恰好就是微波的半波长,大约是6.2厘米。
再用6.2厘米乘以2得到微波波长,再乘上微波炉背面标注的微波频率,就可以算出光速等于三亿零380万米每秒,误差仅有1.3%。
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