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    爱拼网官方网_300年前的古人怎么测光速?|王木头讲科学

      时间:2020-01-11 17:25:23   点击:3343

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    给孩子最好的科学教育

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    今天是王木头讲科学的第10期节目。

    来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。

    ▼▼ 用听的 ▼ ▼

    ▼▼用看的▼ ▼

    速度大家一定都不陌生了。从小到大,我们一定是参加过各种赛跑比赛的,比如50米跑或是100百米跑,固定的长度跑完之后用时最短的就是速度最快的。我想同学们一定也和我小时候一样,虽然总也跑不到第一名,但是却非常爱幻想,幻想自己跑得非常快。开始的时候还只想着比学校的第一名快就可以了,可是随后就会想,反正是幻想不如再快一下,比世界冠军还要快。不行,还不够,要最快才行。

    多快才是最快呢?当时可是不知道光速是最快的速度,只想着跑完同样的距离花费的时间越少速度就越快,是1秒呢还是0.01秒呢?肯定0是最少的了。所以那时自然而然地会认为世界上最快的速度就是不论到哪里,只需要0秒,这样就是无限快了。也就是说不论是想从中国到美国、或是月球,还是其他任何地方,瞬间就能马上达到,不花费任何时间。这其实就是瞬间移动的能力,即使在魔法世界里面这个能力也是非常抢手的。

    古代的很多人都是坚信速度是可以达到无限大的,因为他们认为光就是这样的东西。远远的观察一个人,这个人做任何的动作,我们马上就可以看到,中间不花一点时间。这不是速度无限大的证据吗?当然,即使在古代也有人会反驳这样的说法,光的速度不会是无限快的,它只是太快了,快得从一个地方到另一个地方我们根本感觉不出来。其实只要距离够长,还是可以测出光所花费的时间的。

    不相信的话,大家可以看看声音。人们之间说话,也是这边一说出口,那边就可以马上听到,感觉声音瞬间传到,其实声音的速度只有340米每秒。如果距离远一些,我们马上就可以感觉到声音传播是需要花时间的。就比如电闪雷鸣的时候,就是先看到闪电然后才听到雷声,这就说明声音传到我们耳朵是需要时间的。有经验的人还可以根据闪电和雷声相隔的时间长短判断出雷电发生的距离呢。

    抱着这样的想法,有个人就尝试着去测光速了。这就是我们熟悉的伽利略。作为科学之父,伽利略做过无数个成功的实验,可是这次测量光速的实验他失败了。他是怎么做的呢?首先他在一座山上准备了一个大镜子,然后自己爬到另外一座山上,手上还提着一盏灯。他的方法就是记录光线从这盏灯发射然后经过镜子反射回来,这段距离所花费的时间。一手拿着挡板,一手拿着表,挡板拿开开始计时,看到镜子里的光停止计时。这段时间就是光线跑个来回所用的时间。

    我们现在很容易就明白为什么伽利略会失败了,光速可是30万公里每秒啊,一秒就可以绕着地球7圈半,两个山头的距离还是太近了。除非,他的反应速度和计时用的表可以分辨出0.0001秒的时间,这肯定是做不到的。

    所以要想知道光的速度还要有更远的距离才行,这样光就会花更多的时间,对人的反应速度和表的精确程度的要求就会降低了。那要多远呢?需要从地球到木星这么远距离。这可不是我随便说的,而是在历史上人类第一次测出光的速度就是通过地球到木星的距离。

    在300多年前,丹麦有一位天文学家叫奥勒·罗默,就是他第一次通过天文观测计算出计算出了光的速度。具体的方法比较复杂,但是原理我们是比较容易理解的。地球是会绕着太阳公转的,公转的时候就会变换位置,所以在一年的不同时候距离木星的距离是不一样的,少则6亿多公里则9亿多公里。即使是光也要需要三四十分钟才可以跑完。所以地球位置变化就使得,光从木星到地球花费时间很容易被观察到。这位天文学家,就是通过记录地球和木星之间距离的变化,以及光线传过来时时间的变化,计算出了光的速度。

    2016年12月7日,测定光速 340 周年纪念日,谷歌推出的奥勒·罗默涂鸦

    不知道大家会不会好奇,为什么是木星,就不能是其他星球吗?比如距离更远的土星。如果是其他星球的话还真没办法。大家想想看,测量光从其他星球传到地球的时间应该如何做呢?最简单的方法,就是起点记录一个时间,终点记录一个时间,两个一减就可以了。光线到达地球的终点时间我们是很容易记录下来的,剩下的只要减去另外的那个星球上发出光的起点时间。可问题是,不论是什么星球,上面都是没有人的,没有人可以记下光线传播开始时间的,也就没有办法做减法,当然也就不能知道光线传播的时间了。

    木星特别的地方是它有几颗非常明亮的卫星,会绕着木星旋转。我们很容易就可以通过望远镜在地球上观察到。按理说,这个旋转的时间是固定的,可是就因为地球的公转和木星的距离总是发生变化,所以就会导致我们观察到木星卫星的旋转时间发生变化。于是就可以根据这个变化的时间推断出光线在这段距离中花了多少时间。就这样,奥勒·罗默才计算出了光的速度。

    当时他计算出来的速度是大约22万公里每秒,和现在准确数字,也就是30万公里每秒,还差了将近8万公里。或许你会认为8万公里这个实在是一个太大的数字了,这应该是一个严重的错误。实际上并不是这样的,首先奥勒·罗默是第一个确定了光的速度不是无限的人。之前人们讨论光的速度到底是有限还是无限,总是争来争去,但是谁都没有可信的证据。这一下在奥勒·罗默提出这种测量方法之后,光的速度有限的基本上就是板上钉钉的事实了。剩下的就是搞明白这个速度到底是多少了。

    在数字的准确性方面,即使奥勒·罗默计算出现了误差,但是仍然是很了不起的,20多万和现在的标准数值30万都是在几十万每秒这个数量级上。在天文观测中,能在数量级上保持正确已经是很了不起了。这个数量级的意思,就是一个数字是几位数。比如,1万和5万,都是在万这个数量级上的,可以说它们数量级相等。但是1千和1万就不是一个数量级了,1千比1万少了一位数,也就是少了一个数量级。如果是10万的话,是比1万多一个数量级。

    再举个例子,半人马座α星距离地球4光年多,天狼星距离地球将近9光年,在天文学家眼中这两个星到地球的距离是差不多的。只有几十光年,几百光年才算是真正意义上的更远。

    好了,这就是有关奥勒·罗默和光速测量的故事了。至此以后,人们对光速的研究就始终没有停止过。随着科技的发展,能够测量出来的精度也越来越高。当人们都认为光速的奥秘都被研究透的时候,却忽然又被一个实验蒙上了一层乌云。那就是,迈克尔逊-莫雷实验,被称为是世界上最成功的实验,但有趣的是这项实验本来要验证的结果却失败了。为什么会说这个实验又成功又失败呢?我们下一次解开谜题。

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