光的速度

作者: 汪洁

发布日期: 2016-09-18 22:20:49

本文讲述了人类对光的传播速度的探索历程,从伽利略的初步实验到罗默的天文观测,再到菲索的旋转齿轮法和麦克斯韦的电磁理论,最终确认光是一种电磁波。

说相对论就必须要谈谈人类对光的传播速度的探索历程。光是我们本书最重要的主角之一。伽利略吹响冲锋号,光传播的速度是惊人的30万千米/秒。这么快的速度到底是怎么测量出来的?这正是本章要讲述的故事——测量光速。但是所有参与这个故事的人都没想到,光速测量的最后却给整个经典物理学说笼罩上了一层乌云。第一个对光速无限大提出质疑的人就是伽利略。

他不仅仅是停留在对光速无限大提出质疑上,而且着手开始用实验来测量光速。他带着三位助手,分成两队,带着改进过的煤油灯、钟摆计时装置和纸币登上了相隔不远的两座山头做实验。然而不幸的是,虽然有必胜的信念,但这却是一个不可能完成的任务。用煤油灯和钟摆计时器想要测量光速无异于把比萨斜塔抱起来去量一下细菌的长度,但我们仍然要向伽利略致敬,是他吹响了人类向光速测量进攻的号角。

1675年左右,人类终于首次证明了光是有传播速度的。这个荣誉要授予一个丹麦天文学家,他的名字叫罗默。罗默通过对木星“月亮”的长期观察发现,当地球逐渐靠近木星时,木星“月食”发生的时间间隔也会逐渐缩小,而当地球逐渐远离木星时,木星“月食”发生的时间间隔也会逐渐变大。他意识到,这正是光速有限的最好证据,并且还精确地预言某一次“月食”发生的时间。

光速有限还是无限的争论划上了句号,整个物理学界都认同了光速是有限的。接下来,天文学家和物理学家两大阵营便开始比赛谁能更精确地测量出光速。天文学家用天文观测的方法,而物理学家试图在实验室中精确地测量出光速。1849年,法国物理学家菲索想出了一个绝妙的主意来测量光速——旋转齿轮法。他计算出光的速度是31.5万千米/秒,和光速的真相已经咫尺之遥了。

1873年,英国科学家麦克斯韦出版了堪与牛顿《原理》比肩的物理学经典巨著《论电和磁》,提出了“麦克斯韦方程组”,根据这一套优美的方程组,麦克斯韦预言了电磁波。随后,德国青年物理学家赫兹于1888年在实验室里发现了人们怀疑和期待已久的电磁波。

实验公布后,轰动了全世界的物理界,大家纷纷效仿此实验,所有的实验结果都证明麦克斯韦的电磁理论是正确的,麦氏方程组取得了决定性的胜利,并且得出了电磁波的传播速度是31.5万千米/秒,跟光的速度一样!科学界很快就达成一致意见:光是一种电磁波!科学家们进一步认为,当我们谈论光的速度的时候,隐含的参考系应该是光的传播介质,那就是牛顿所说的绝对空间和以太!

牛顿的绝对时空观在统治了物理学界两百年后达到了顶峰,现在,就差最后一个能证明以太存在的实验来为这座雄伟大厦砌上最后一块砖!具体的实验设计众望所归,落到了实验物理学的两位泰山北斗级人物身上,他们就是麦克尔逊和莫雷。

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