光之路 光学简史：人类的漫漫寻光之路

上帝说要有光，所以有光。

-创世纪1:3

自从人类诞生以来，他们从未停止对光的追求。从洞穴时代的钻木取火，到铁器时代的火药火器，从月光萤火虫的照明，到蒸汽时代，电灯的发明使人类终于能够抵御无尽的黑夜。光帮助人们赶走了黑暗和无知，成为现代物理学的基石。对光的研究打破了学术界对以太的迷信，启发了爱因斯坦对相对论的研究，甚至重新定义了“米”和“秒”的常数......

这个摸不到尝不到的“光”是怎么被抓到甚至测量速度的？这个年轻的女孩今天要讲的就是这个，让全人类为之疯狂的“光”。

人类追求光明的道路

就像所有中国人背诵的那样:“我的床脚那么亮，会不会已经结霜了？."古代人不知道光是什么，也不知道阳光和月光是从哪里来的。不像中国人把这归功于神灵或皇帝的恩典，西方哲学家和数学家很早就开始思考这个问题:光是什么？

早在公元前490年，希腊哲学家恩培多克勒就开始思考光。然后他观察天空、地面、星星和月亮。不知怎么的，他得出了一个令人震惊的结论:光有速度！他认为光旅行需要时间，但因为时间很短，我们无法注意到。神人，没有望远镜，没有任何物理基础，推断月光是光反射造成的，日食是太阳被月亮遮挡造成的。但不幸的是，在希腊时期，占主导地位的观点是由亚里士多德提出的。他认为:“光是由某种东西引起的，而不是运动的东西。”换句话说，在他眼里，光是客观存在的物体。

之后，从13世纪到17世纪，几百年来，哲学家、诗人、物理学家都在“光有没有速度”这个问题上发表了自己的见解，争论不休。欧几里德认为光是眼睛发出的，所以光速一定是无限的，因为你睁开眼睛就能看到远处的物体。开普勒和笛卡尔都认为光速是无限的，因为我们的世界里没有任何东西可以阻挡光速的传播。

1638年，伽利略试图测量光速。他让两个人站在相距一英里的两座山上。每人拿了一盏灯。第一个人先举起了灯。第二个人看到第一个人的灯，马上举起自己的灯。两座山之间的距离就是它们之间的时间，也就是光速。但是伽利略过于低估了光速，或者高估了人体的反射时间，实验失败了无数次。最后，他沮丧地得出结论，即使光速是第一位的，也一定快到了不可思议的程度。

光速的测量似乎已经走到了死胡同。光速，一个速度极快的物理常数，想要抓住它，当然还是要去Tai 空。

木制守卫的神秘之光

1676年11月9日凌晨5: 25: 45，在一个普通的日子里，丹麦天文学家奥勒·罗默紧张地等待着来自巴黎天文台的消息。两个月前，他夸口说，预测靠木头吃饭的现象会延迟10分钟。这一切都是基于他长期的观察和大胆的猜测。可以说他把自己作为科学家的荣誉和尊严赌在了这个预言上。

很快，消息从巴黎天文台传来，真的耽误了十分钟。

罗默的推测是基于他对木星的长期观察。木星总共有四颗卫星，其中木卫一是最近的一颗，以每42.5小时一圈的速度围绕木星旋转。就像月食发生在月球转到地球背面一样，木卫一转到木星背面就会被木星挡住而消失。旋转出木星背面后，又会出现。这种现象被称为“Io月食”。理论上来说，因为木卫一的自转速度是不变的，它横跨木星背面的距离也是一样的，所以木卫一从消失到出现的距离每次都应该是一样的。

但罗默发现，木卫一日食的时间是随着地球的轨道位置而变化的。解释这个其实很简单，可以看下图。将木星加入b点，当地球绕太阳运行到达G点时，木卫一将被侵蚀，木卫一将从C点消失，出现在D点，如果C点靠近地球，D点远离地球，会导致我们更早发现木卫一的消失，更晚发现木卫一的出现。地球旋转到L点时，正好相反。我们后来发现了木卫一的消失，更早发现了木卫一的出现。这样，地球在G电视上的时候，木卫一消失的时间会比地球在L点的时候长。所以罗默计算出光速为3 * 10 ^ 8m/s，非常接近光速的精确值。

从此，人们意识到光速真的是有限的。之后，精确测量光速的方法有很多，如麦克弗森的莫雷实验、克尔盒法、变频闪光法等。，可精确测量光速至299，853 60 km/s

现代物理科学的基础

如果你认为光对物理的贡献只是它的速度，那你就低估了。它不仅打破了科学界对以太的执念，促进了电磁学的发展，还直接刺激了爱因斯坦对狭义相对论的研究。

科学家在测量光速的同时，也在研究光的存在。牛顿最初认为光是一种粒子，不同颜色的光是不同的粒子。所有的光学现象都可以用粒子的传播来解释。惠更斯提出光的本质是一种波，就像我们听到的声音和看到的水波一样。

直到1800年，英国科学家托马斯·杨通过双缝干涉实验证明了光的波动性，这两种理论一直存在分歧。波的传播需要介质。这种无处不在的媒介是什么？当时科学界一致认为是一种叫做“以太”的东西。

然而，随着电磁学的发展，电磁场和电磁波的发现，科学家们惊讶地看到电磁波的传播速度与光的传播速度惊人地一致。这时人们终于可以确定，光其实是电磁波，所以不需要任何介质，证明以太不存在。

科学家对光的追求和研究是人类理性思维的体现。光从一开始的一个造物，变成了在宇宙中传播的电磁波。从一开始就有无限的速度，最后精确到毫秒，理性的火光，伟大的闪光。当然现代物理对光有更多的研究和认知，关注漂亮女孩，然后给大家普及更多的科学知识~