如何用手抓饼测出光速？你肯定想不到

作者 | chocobo&二分

来源 | 中科院物理所（id:cas-iop）

你听说过吗？

只靠一张手抓饼

也能测出光速！

这听起来是不是有点离谱？

答案可能比你想的还要简单。

实验器材

手抓饼、微波炉（最好不要搅拌加热型）、尺子、计算器、所标杯

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实验步骤

先把微波炉里的转盘取出来（关键！），将手抓饼平铺在盘子上，放进微波炉。

注意：使用加热电器注意消防安全！

开始加热，大约等待几分钟。安全起见可分多次加热，间隔观察手抓饼是否出现焦斑，但是间隔中一定不能移动手抓饼位置。

第三步：

取出手抓饼，你会发现手抓饼上出现两个最先被烤焦的“灼点”。

第四步：

大致目测出烤焦部分的中心点，用尺子测量这两个烤焦点的间距，记为d。

第五步：

看微波炉背面的铭牌，找到频率f（一般是 2450 mhz）。

再用公式计算：

c=2×d×f

只要把数值代进去，你就能算出光速！ 我们的实测结果：

烤焦点距离大约 8.5 cm，波长 = 2 × 0.085 m = 0.17 m， 微波炉频率 f = 2.45 × 10

hz

光速 c = 0.17 × 2.45 × 10

=4.165 × 10

m/s

虽然比标准值 3.0 × 10

m/s 稍高，但在家用实验的条件下已经比较接近了。这种误差主要来我们对烤焦点的选择误差、微波炉内部电场不均匀性和手抓饼的不均匀性。

第六步：

处理掉（吃掉）手抓饼，过程画面过于残忍故不放出～

原理解说

微波炉里发出的其实是一种电磁波，而光本质上也是电磁波，在真空中的传播速度就是我们说的光速。微波在炉腔内来回反射，相互叠加形成了驻波，像水面波相互干涉一样，会出现能量高低相间的分布。波腹区域电场能量最强，饼子在这些地方就会被烤焦；波节区域电场能量最弱，看上去几乎没什么变化。理论上，相邻两个焦点的间距就是半个波长，用它和频率结合，可以得到一个接近光速的数值。

微波炉驻波示意图。驻波的波腹区域能量最强，波节区域的能量最低。

需要强调的是，这种方法更像是一个科普演示，并不能得到真正精确的光速。微波炉内部的电磁场分布十分复杂，实际频率也会有细微漂移，加上现代微波炉常常配备“模式搅拌器”（mode stirrer），通过旋转金属扇叶来不断打乱固定的驻波，从而改善加热均匀性。因此你看到的烤焦点并不是完全理想的“驻波腹”，而是局部能量相对更强的区域。它们仍然能帮助我们直观理解驻波现象，但实验结果只能算是“数量级正确”，而非严谨的物理测量。

虽然这种方法看似“厨房化”，但它背后却承载了几百年来人类对光的科学探索。从17世纪开始，科学家们一直在努力解答光是否具有速度这一问题。伽利略在1638年尝试用两盏灯笼进行实验，通过人们相互遮掩的方式来测量光的传播速度，但由于光速太快，人眼的反应速度无法捕捉到这微妙的时间差，因此实验无法得到准确的结果。尽管如此，伽利略的实验为后来的光速研究奠定了基础。

直到1676年，丹麦天文学家奥勒·罗默（ole rømer）通过观察木星卫星木卫一的掩食现象，第一次间接测量出了光速。他注意到，木卫一的掩食时间会随着地球与木星之间的相对位置而变化：当地球朝木星运动时，光程变短，“现踪”会提前；当地球远离木星时，光程变长，“现踪”会推迟。罗默长期记录这些提前和延迟并将其累计，发现当地球从“近木星侧”移动到“远木星侧”时，累计会出现十余分钟量级的推迟；将这一时间差 与地球轨道直径对应的光程差 配对，按 便可得到一个数量级正确的光速值，从而证明光速有限。尽管他的数值与现代值仍有差距，但这一发现打破了光速无限的传统观念，成为光速研究的重要里程碑。

罗默绘制的示意图，其中a为太阳，b为木星，小圆是木卫一的轨道。当木卫一位于cd阴影之间时，发生木卫一蚀。

进入19世纪，法国物理学家阿曼达·斐索（armand fizeau）采用了更为精密的方法——旋转齿轮法。做法是让光束通过高速旋转的带齿轮的遮板射向远处反射镜，再折返通过同一位置：当齿轮恰好在往返时间内由“缺口”转到“齿挡”，返程光就被挡住出现“熄灭”，据此可由已知的往返距离、齿数 n 和转速 f（每秒转数）求出往返时间 与光速（例如首个熄灭条件可写作 ，而） 。这一方法首次在地面测得较为可靠的光速数值。随后，傅科（léon foucault）改进了斐索的实验，将旋转的齿轮替换为旋转的平面镜，使得测量的精度大大提高。

斐索测光速仪器的简图

再后来，麦克斯韦的电磁波理论预言，光就是一种电磁波，并且其传播速度正是光速，这一理论为现代物理学的发展提供了理论基础。

今天，我们在厨房里用一张饼和一台微波炉，也能“重演”这个伟大的科学探索。虽然测出来的数值没有实验室那么精确，但它让我们亲眼看到光速不仅仅是书本上的常数，而是能在生活中亲手“烤”出来的宇宙速度极限。这种亲自动手的体验，本身就是科学最迷人的地方。

编辑：公子欣

上观号作者：上海科协