【原】科學有道理：科學家如何精確測量光速？實驗和理論的完美貼合

上一期，咱們介紹了科學家測量光速的方法，從亞里士多德不相信光速有限，到伽利略測試失敗，再到羅默的粗略估算。

當時，羅默已經把光速的數量級給計算出來了，可惜很多因素導致誤差比較大，和現在的準確數字有些偏差。今天，咱們看看科學家如何進一步精確計算光速。

斐索

1849年，距離羅默測量光速已經過去160多年了。法國實驗物理學家斐索采用旋轉齒輪法，成功地提高了光速的精度。

其實，斐索的方法很好理解。

• 實驗裝置

他先放置了一個光源，在光源前面放一個齒輪。這個齒輪的齒槽和光源相平，也就是說，光可以從齒槽穿過去，但如果輪齒轉到光源面前，就會擋住光。所以，只要轉動齒輪，就會看到光源的閃爍。然后，他在齒輪前面，又安置了一塊鏡子，讓光反射回來。鏡子的角度是垂直于地面的，所以反射回來的光和光源一樣，也是和齒槽平齊的。這樣，當齒輪旋轉起來，從光源這一側看鏡子里的光，也是閃爍的。

不過，為了防止光源干擾對鏡子里的光的觀測，斐索把光源挪到齒輪側面，然后用鏡子反射，就相當于和鏡子平齊了，也就是下圖這樣。

• 計算方法

接下來，翻滾吧小齒輪。然后，走你，射出一道光。斐索不斷給齒輪加速，最終光從一個齒槽射出去，經過平面鏡反射，透過下一個齒槽射到觀察者的眼中。于是，光往返的時間，就等于這個齒輪轉了一個齒的時間。

而齒輪轉了一個齒的時間，是很好計算的：由于齒輪的速度是斐索自己控制的，所以轉數是已知的，也就是齒輪旋轉的周期是已知的。所以，用轉動一圈的周期除以總齒數，就得到轉動一個齒的時間了。

既然知道了光往返這段距離的時間，再測量一下觀察者和平面鏡的距離，就可以輕松計算光速了。

看，簡單吧？

• 實驗誤差

不過，這個實驗的難度，在于光速實在太快了。因此，他要盡量把平面鏡安置在足夠遠的位置上才行。我們現在知道，光速接近30萬公里每秒，因此，即使斐索把平面鏡放在150公里外，光往返的時間也不過是1/1000秒。同時，齒輪的轉速要足夠快，否則就不知道反射回來的光是從第幾個齒槽回來的了。

另外，這個齒輪的齒數要足夠多，齒槽足夠小，否則咱們夸張一點想，如果只有兩個齒、露出那么大縫隙，還怎么觀測光是什么時候射回來的。因此，斐索用的齒輪，一共有720個齒……不說別的，最起碼做這個實驗的人不能有密集恐懼癥……

看得出來，這個實驗的確聰明，但是影響因素比較多，而且距離的限制導致誤差的影響會比較大。即便如此，斐索測得的光速也是非常精確的。經過28次重復試驗，他得到的數值大約是31.33萬公里每秒，和現代的精確數值僅僅差了5%。

傅科&麥克斯韋

看了斐索的實驗，有一個人嘆了一口氣：這斐索還是不夠聰明?。≠M那么大勁轉齒輪不辛苦嗎？你轉光的角度不好嗎？

這個人，就是傅科。他最著名的成就，大概就是傅科擺了。通過傅科擺，證明了地球是有自轉的。

他認為，斐索的實驗不準確。他沒有像斐索一樣選擇用齒輪的齒來遮擋光源，而是用一個鏡子來代替齒輪，通過鏡子的旋轉，在特定角度可以看到光源，從而測量光速。這個方法，由于和下面的方法非常類似，所以下面一起介紹。

經過這個實驗，傅科計算得到的光速是29.8萬公里每秒，比斐索又精確得多了。

同時，著名的物理學大神，里程碑級人物麥克斯韋通過他的計算，發現了電磁波的傳播速度。我們現在知道光是電磁波的一種，但當時的人還不知道，但是，麥克斯韋已經有這方面的想法了?？上?，還沒等到驗證，他就英年早逝了。

邁克爾孫

看了傅科的實驗，有一個叫邁克爾孫的人覺得不好，認為傅科的實驗也不精確。

于是，他設計了這一套裝置。這個實驗的原理和傅科的實驗基本一樣，只是把平面鏡換成了八面鏡。所以，只要懂得這個原理，傅科實驗的原理你也就明白了。

• 實驗裝置

首先我告訴大家，他的基本原理和斐索差不多，大家就容易理解了。

邁克爾孫先準備了一個八面鏡，也就是俯視為正八邊形的棱鏡。然后在它側面的S點放置了一個光源，在另一側觀測。只有當八面鏡轉到圖示的角度時，觀察者才能觀測到反射的光。

為什么呢？

因為只有這個角度，才能讓光源在八面鏡的一面反射到凹面鏡M2上，然后再經由平面鏡M3的反射和M2的二次反射，重新射到八面鏡的另一面，然后再完美地射到觀測者的眼中（平面鏡的作用就是為了反射光和入射光平行，否則無法射回到八面鏡上）。如果角度偏一點，光就無法實現這樣的完美反射。

然后，我們讓八面鏡動起來。你會發現，當光源開始發光的時候，八面鏡還是這個完美的角度；但是當光射回來的時候，八面鏡已經轉到別的角度了，所以觀察者是看不見光的。

那么，什么時候觀察者可以再看見光呢？

很簡單，那就是當光從凹面鏡射回到八面鏡的時候，八面鏡又恰好重新轉回這個完美的角度。由于這是正八邊形，所以最快的話，只需要轉1/8圈，就能回到這個完美的角度了。

因此，邁克爾孫只需要一點點給八面鏡加速，當他第一次看到光的時候，就是八面鏡第一次在光反射回來時轉到這個角度的時候，也就是1/8圈。

• 計算方法

這個計算非常簡單，由于凹面鏡M2和平面鏡M3之間的距離，以及觀察者、光源與八面鏡M1的距離，都遠遠小于M2和八面鏡之間的距離（應該很好理解吧，前面的都是幾十厘米就夠了，后者可能達到幾十公里），所以可以忽略不計。

那么，光的行進距離，就是M1到M2的往返距離，而時間就是八面鏡旋轉了1/8圈的時間，這個時間只要用當時八面鏡的轉速就可以計算出來。用距離除以時間，就可以得到光速了。

利用這個方法，邁克爾孫測得的光速是299853±60 km/s。

要知道，現在人類測量光速的精確數據是299792458m/s，邁克爾孫的實驗結果已經精確到驚人的地步了。

不過，科學家們求知的心不允許半點偏差的存在。那么，光速的最終數值到底是多少呢？我們普通人是否也可以測量光速呢？歡迎大家繼續關注下一期【科學有道理】欄目哦~

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