光速是物理学中的一个最基本常数 , 也是物体运动的速度上限 , 那么科学家是如何来测量光速的呢?
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实际上 , 科学家不测量光速(这里总是指光在真空中的速度) , 而是科学家知道光的速度是多少 。 光速c = 299,792,458米每秒 。 这个数值绝对是100%精确 , 没有任何测量误差 。 之所以科学家知道这个数值就是光的速度 , 其原因就是科学家把光速定义成了这个数值 。
然后科学家定义了一秒的长度 , 即在铯-133的超精跃迁中辐射一定数量周期的持续时间 。 从中 , 科学家定义了一米的长度 。 所以 , 科学家真正要测量的一米有多少 。
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惯性系中的光速恒定是科学观测出的事实 , 物理学家使用光速作为一个恒定速度 , 从中所有观察者可以定义自己的长度标尺 。
要测量光的速度将需要有一个对于一米是多少的外部定义 , 而自20世纪70年代以来 , 就全部取消了 。
而如果真想使用这个外部距离参照来测量光速 , 那很容易测试:只要在t = 0时刻向一面镜子发射一个光脉冲 , 然后测量返回到起点的时间 , 就能算出光速 。
以下是一些背景:
米最初是在法国大革命之后定义的 , 大约在1799年 。 它被定义为赤道和极点之间距离的1/10,000,000 。
然后在1889年 , 根据天文学家制作的铂质米原器对米进行了正式定义 , 该米原器保存在巴黎国际计量局的地下室中 。
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米原器
从米的这个定义出发 , 科学家利用镜像定时方法或基于天文观测的方法测得光速约为299,792,458米每秒(后面还有小数位) , 与定义值已非常接近 。
最终 , 科学家意识到 , 利用某事物来对米进行定义会带来诸多问题 , 比如定义米的事物自身并不稳定 , 会对标准米的测量造成误差 。 因此 , 科学家尝试以任何人都可以复制的方式来定义光速 , 而不必引用“标准物体” 。
因此 , 米利用光速被重新定义 。
【科学家是如何测量光速的?】今天对米的正式定义是:光在真空中行进1/299,792,458秒的距离 。 因此 , 这完全等效于光速的定义 。
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科学家之所以选择了299,792,458这个数字(而不是一个更方便的数字300,000,000) , 是因为这个数字只改变了一标准米的小数点之后的精度 , 与最初的定义相差非常小 , 不然的话很多数据就都要更改了 。
使用这个定义的结果是任何测量光速的尝试都是循环性的 , 在某种程度上必须要使用“米”来测量它 , 而这又取决于光速 。
因此 , 当“测量”光速(在真空中)时 , 实际上就是在测量所使用的测量仪器有多精确 。
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