科學家是如何測量出光速的?
光速是物理學中的一個最基本常數,也是物質運動的速度上限,那麼科學家是如何來測量光速的呢?
實際上,科學家不測量光速(這裡總是指光在真空中的速度),而是科學家知道光的速度是多少。光速c = 299,792,458米每秒。這個數值絕對是100%精確,沒有任何測量誤差。之所以科學家知道這個數值就是光的速度,其原因就是科學家把光速定義成了這個數值。
然後科學家定義了一秒的長度,即在銫-133的超精躍遷中輻射一定數量周期的持續時間。從中,科學家定義了一米的長度。所以,科學家真正要測量的一米有多少。
慣性系中的光速恆定是科學觀測出的事實,物理學家使用光速作為一個恆定速度,從中所有觀察者可以定義自己的長度標尺。
要測量光的速度將需要有一個對於一米是多少的外部定義,而自20世紀70年代以來,就全部取消了。
而如果真想使用這個外部距離參照來測量光速,那很容易測試:只要在t = 0時刻向一面鏡子發射一個光脈衝,然後測量返回到起點的時間,就能算出光速。
以下是一些背景:
米最初是在法國大革命之後定義的,大約在1799年。它被定義為赤道和極點之間距離的1/10,000,000。
然後在1889年,根據天文學家製作的鉑質米原器對米進行了正式定義,該米原器保存在巴黎國際計量局的地下室中。
米原器
從米的這個定義出發,科學家利用鏡像定時方法或基於天文觀測的方法測得光速約為299,792,458米每秒(後面還有小數位),與定義值已非常接近。
最終,科學家意識到,利用某事物來對米進行定義會帶來諸多問題,比如定義米的事物自身並不穩定,會對標準米的測量造成誤差。因此,科學家嘗試以任何人都可以複製的方式來定義光速,而不必引用「標準物體」。
因此,米利用光速被重新定義。
今天對米的正式定義是:光在真空中行進1/299,792,458秒的距離。因此,這完全等效於光速的定義。
科學家之所以選擇了299,792,458這個數字(而不是一個更方便的數字300,000,000),是因為這個數字只改變了一標準米的小數點之後的精度,與最初的定義相差非常小,不然的話很多數據就都要更改了。
使用這個定義的結果是任何測量光速的嘗試都是循環性的,在某種程度上必須要使用「米」來測量它,而這又取決於光速。
因此,當「測量」光速(在真空中)時,實際上就是在測量所使用的測量儀器有多精確。
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