《物理的故事——在悖论中前行》
第33节作者:
江湖小片 日期:2017-08-20 13:12:45
第一个比较精确测定光速的是英国天文学家詹姆斯布拉德雷(Bradley,1693-1762)。他长期观察星体,发现一个很有趣的现象。相对于整个宇宙中的大恒星体来说,地球渺小到都不好意思跟人打招呼,所以我们有理由相信,遥远大恒星的光是直射到地球的,也就是说,无论地球在公转轨道的什么位置,只要架好了望远镜迎着平行光,就再也不用调试了。但是布拉德雷发现,当地球远离和靠近星体时,会有小角度,如下图所示:
对于两个倾斜的角度,布拉德雷对此感到十分费解。忽然有天他坐在船上,发现船上的旗子并非沿着风的方向,而是与其有个小夹角,原来这是速度的合成导致的。好比无风的下雨天,雨水垂直落到地面,但是行人中的雨伞要向前方倾斜。星光似雨伞似镜,所以望远镜也要向着运动方向倾斜,布拉德雷豁然开朗,于是在1728年提出了“光行差”的概念。并通过三角形角度计算得出光速为30.4万公里/秒,和目前公认光速值很接近了。值得一提的是:当地球在其绕日轨道上对称时,两个倾斜的角度相等。好比下雨天,如果行人速度相等,那么伞的角度也相等。在当时,光的微粒说十分盛行,布拉德雷解释该现象不费吹灰之力。
日期:2017-08-20 13:13:18
第一个从实验中得出光速的是前文说到的斐索,1849年他用一个很巧妙的办法在地球上测出光速。伽利略实验之所以失败是因为光来回的时间间隔太小太小,人类根本没办法把握,所以一定要抛弃人工掐表的,只能从宏观上感受。
图上的旋转齿轮有720个齿,所以每个都像一个小孔一样,只容许部分光通过,当齿轮以不同的速度转动的时,人眼接受到的光线会忽明忽暗,甚至看不到反射光回来—全被挡住了。不断地增加齿轮的转速,当齿轮每秒转25圈,人眼的感受到光是最亮的,这就说明光跑一个来回的时间是1/(720×25),再计算光程8.67km,光速约为31万公里/秒。这是实验中第一次得到和现在较为接近的光速值。这种方法也被称为“齿轮法”
齿轮法固然精妙绝伦,但是还存在误差,其原因是齿轮之间的间隙不够小,所以后人增加了齿轮,测量的光速误差就小很多,也就说斐索的测量方法没有问题。
几年后,法国物理学家傅科(Foucault,1819—1868)用“旋转镜法”测量了光速;1926年美国科学家迈克尔逊使用的“旋转棱镜法”测量了光速,几乎将光速锁定在30万公里/秒(29.97万公里/秒)左右。
30万公里/秒是什么概念呢?从月亮到地球也就1秒多;从太阳到地球约为8分钟,所以我们看到的月亮是1秒中以前的月亮,看到的太阳是8分钟以前的太阳。假设太阳被人偷走了,地球上的人类得过8分钟才能知道,而当人类打开宇宙飞船的门、插上插销、点火松离合、踩油门,辛辛苦苦乘宇宙飞船赶到犯罪现场时,没
日期:2017-08-20 13:18:22
第三十回:第一朵乌云
光阴似箭、日月如梭,人类转眼间就到了1900年。对于这一年,中国人不会陌生,因为“八国联军”在这一年了洗劫京城,中华民族遭遇浩劫,史称“庚子国难”。所以邓爷爷说:中国是带着首都被敌人攻占的耻辱进入20世纪的。
几家欢喜几家愁,对于列强来说则是个最美不过的时代,欧洲正在享受着电力革命带来的红利;美国也从南边战争解脱,进入高速发展的黄金时期。对于物理学来说,也是一个理论臻于完美的年代,是一个“武靠关张、文靠孔明、帅气有赵云”的年代,所以人类无需为它感到担忧,正如开尔文勋爵(威廉汤姆逊)在新年致辞上说的:动力学理论认为热和光都是运动的方式,现在这一理论非常优美和明晰。
但是!
它正被两乌云笼罩着:第一朵乌云:迈克尔逊—莫雷实验的零结果;第二朵乌云:黑体辐射理论。
但是!
开尔文勋爵坚信,这两朵乌云很快就会烟消云撒,聪明的人类很快就能解决。
先来看看第一朵乌云?
前面说过,当光被验证是一种电磁波时,人类为光波和电磁波的传播媒介操碎了心,只有搬出以太才得平息,但是光速如此之快,以太究竟应该怎样呢?在新的历史挑战下,人类不仅实事求是、还解放思想、更与时俱进地对以太提出新的要求:密度极其之小,刚度极其之大。
密度小可想而知,要是密度太大,宇宙和浆糊一般了;刚度也是可想而知的,比如水波,虽说波源只做上下运动(垂直于波行径方向),但是水面上的质点也会因波源的振动而往前移动,水是液体,也就是说刚度不足,最终水波是一种横波与纵波的复合运动。19世纪后半段是以太研究的高峰时期,甚至有人还计算出以太最起码的刚度值。
水已煮好,就等着把兔子逮着下锅了。
当布拉德雷发现了光行差之后,十八世纪的人们都会尝试从微粒说角度解释光行差的成因,自然也取得了很好的效果。但是到了十九世纪,光被认为是一种波时,解释光行差就需要花费九牛二虎之力了,因为是波就必须牵扯到介质。
无论是精神上的还是行动中的,对以太的新思考都算从托马斯杨开始,毕竟他是后牛顿时代第一个推翻光微粒学说的人。杨认为如果以太跟着地球一起运动,那就不会产生光行差。理由很简单,比如下雨打伞,如果有人拿着云雾做的蓬头跟着伞面一起走,伞自然不用倾斜了,不过对于对面走过来的人而言,他的伞倾斜角就要增大。这是基本的伽利略相对运动原理决定的。
但是地球如此平凡,以太怎么可能会跟着地球一起运动呢?就像云雾只会随风而绝不会跟着地球上某个人运动。如此,当地球地球远离和靠近恒星时,光行差角会不同。实际并非如此。杨表示对此很难想象。
日期:2017-08-20 13:19:53
另外,光在透明介质中传播的速度不一样,理应也会产生不同的光行差角。为此阿拉果做了个实验,他用棱镜遮住了望远镜的半边,实验结果却是恒星的光行差角完全一样。也就是说,伽利略的速度叠加原理根本不适合光速。
对于杨的困惑和阿拉果的实验,菲涅尔给了一个较为完美的假说:
1.真空中的以太是绝对静止的;
2.透明介质(玻璃、空气等等)中的以太比真空中的要多,多的部分设为�6�2e;
3.透明介质中的以太密度与折射率的平方成正比;
4. �6�2e会随着介质一起运动,也就说物体运动产生了以太的“部分拖拽”。
正是因为这部分拖拽才引起了光行差,同样也是因为部分以太随着地球运动,光行差的差角不变;而在不同的透明介质中,拖拽的以太密度不一样,所以很好地解释了阿拉果的实验。起先,菲涅尔的假设没有得到别人的注意。直到1851年,斐索做了如下的实验:
水流朝着U型槽一个方向移动,两束光一条顺水而下,一条逆流而上,它们产生干涉条纹,通过观测条纹,可以得出光受不受水流的拖拽。结果论证了菲涅尔的观点。菲涅尔的理论成为了以太存在的支柱。
既然菲涅尔说一部分以太被拖拽,另外的大部分还静止在原处,那么地球上应该就会有“以太风”。可是地球上的人为什么感觉不到“以太风”的存在呢?那是因为地球的速度太小了,以太风只对光波这样的速度才有意义。那就用光把以太风找出来吧。
日期:2017-08-20 13:22:13
1868年,霍克(Hoek)做了如下实验:
光通过半透镜后分为上下两部分,下面光线进过水槽,通过三个反光镜后,产生干涉条纹。把实验仪器掉转180度,干涉条纹并没有发生变化,这说明地球的运动对以太不产生影响,既然没有影响,那就说明没有找到以太风,怎么会没有呢?
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