光速要如何測(cè)量呢? 一般來(lái)說(shuō)是需要非常精密的儀器才能準(zhǔn)確測(cè)量，但今天我打算用微波爐和塑料尺來(lái)做光速量測(cè) 。由于光也是電磁波，只不過(guò)頻率非常高，所以光速跟電磁波的速度是一樣的，我才有辦法透過(guò)量測(cè)電磁波的速度來(lái)認(rèn)定光速。既然是要利用消費(fèi)性電子產(chǎn)品和塑料尺來(lái)做量測(cè)工具，想當(dāng)然爾量測(cè)結(jié)果一定會(huì)有一些誤差，但我本來(lái)就沒有要做很精準(zhǔn)的測(cè)量，這只是要測(cè)好玩的，大家可以先猜猜看最后量到的光速是多少。

波速如何計(jì)算

先來(lái)科普一下，波的速度該怎么計(jì)算呢? 這跟算車速完全一樣，只要把物體所經(jīng)過(guò)的距離除以所花費(fèi)的時(shí)間，就會(huì)得到速度。算波速也是一樣，電磁波一定有波峰波谷，下圖中兩個(gè)垂直線波峰之間的距離稱為波長(zhǎng)Wavelength，當(dāng)波在移動(dòng)的時(shí)候，下圖中的紅點(diǎn)就會(huì)先下再上，當(dāng)紅點(diǎn)又回到原本波峰的高度時(shí)，這上下一次所花的時(shí)間稱為周期Period，而此時(shí)電磁波也剛好移動(dòng)了一個(gè)波長(zhǎng)的距離，所以波速計(jì)算的方法就是將波長(zhǎng)除以周期，或是說(shuō)波長(zhǎng)乘以頻率。

波速的計(jì)算公式

所以要測(cè)量光速，或是說(shuō)要測(cè)量電磁波的速度，只要我們能得到頻率和波長(zhǎng)，就可以計(jì)算出波速了，也就是光速。光速目前定義為299,792,458m/s，這個(gè)速度只發(fā)生在真空中，如果在空氣中會(huì)稍微慢一點(diǎn)點(diǎn)，但這個(gè)一點(diǎn)點(diǎn)比起我們實(shí)驗(yàn)的誤差，其實(shí)小很多完全感覺不出來(lái)，等光速量測(cè)關(guān)鍵要素-頻率

我拿微波爐來(lái)用就是要利用它的頻率，微波爐背后的卷標(biāo)，都會(huì)標(biāo)示它的工作頻率，像我這臺(tái)微波爐它的工作頻率就在2450MHz，基本上微波爐都會(huì)在這個(gè)頻率上，我直接拿這個(gè)頻率來(lái)計(jì)算波速，其實(shí)是可以的。

一般微波爐頻率都是2450MHz

只不過(guò)就像零食包裝上的凈重標(biāo)示一樣，標(biāo)示與實(shí)際內(nèi)容總是會(huì)有誤差，我就很好奇微波爐實(shí)際工作起來(lái)，頻率到底會(huì)偏移多少呢? 出于好奇心，我請(qǐng)出了頻譜分析儀來(lái)實(shí)際測(cè)量頻率如下圖，先說(shuō)喔! 這只是好奇心驅(qū)使而已，這臺(tái)頻譜分析儀就算不出動(dòng)它，一樣可以計(jì)算出光速喔。我用左邊的Wifi天線來(lái)接收微波爐泄漏出來(lái)的電磁波，我把中心頻率設(shè)定為2450MHz，如果待會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，有一根功率出現(xiàn)在屏幕的正中間，那表示工作頻率真的剛好是2450MHz，但我想應(yīng)該不會(huì)這么剛好，目前微波爐還沒有上電，所以下圖頻譜的屏幕是空的。

用頻譜測(cè)量實(shí)際的頻率

為了避免微波爐空轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)我必須要在微波爐內(nèi)放一杯水來(lái)加熱，否則沒有被消耗掉的電磁波反而會(huì)損害里面的磁控管，那可是微波爐的心臟啊。按下加熱按鈕之后，頻譜的屏幕馬上就出現(xiàn)一個(gè)尖尖的峰值如下圖，很明顯的這個(gè)峰值頻率并沒有剛好在中間，經(jīng)過(guò)Marker的標(biāo)示，這個(gè)頻率位于2.460625GHz，距離原本標(biāo)稱頻率的2450MHz，大約偏移了10MHz左右。這種偏移其時(shí)無(wú)妨，因?yàn)槲⒉t只是要拿來(lái)加熱用，偏個(gè)幾十MHz都沒關(guān)系，畢竟微波爐不是通訊設(shè)備，如果是像Wifi這種通訊設(shè)備，那對(duì)于頻率的要求就很嚴(yán)格了，如果偏個(gè)20MHz那就到另一個(gè)頻道了，根本就是錯(cuò)頻，所以不同應(yīng)用之下的頻率穩(wěn)定性要求是不同的。

微波爐的實(shí)際工作頻率有偏差

光速量測(cè)關(guān)鍵要素-波長(zhǎng)

接著要來(lái)測(cè)量波長(zhǎng)，該怎么測(cè)量呢? 一樣先來(lái)科普一下，微波爐的箱體是金屬做的，金屬對(duì)于電磁波來(lái)說(shuō)就像一面鏡子，所以電磁波遇到金屬的時(shí)候就會(huì)發(fā)生反射，這一反射就會(huì)產(chǎn)生駐波，如下圖。

反射波與入射波迭加形成駐波

所謂駐波就是當(dāng)兩個(gè)大小相等方向相反的波，彼此迭加之后，所產(chǎn)稱的波就如紅色波所示，它會(huì)在某些地方形成結(jié)點(diǎn)，在這里永遠(yuǎn)不會(huì)有能量出現(xiàn)，但在某些地方，卻會(huì)形成波峰，所以在微波爐內(nèi)如果沒有轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的話，里面的食物就會(huì)出現(xiàn)局部冷熱共存的現(xiàn)象，這吃在嘴里就會(huì)是右邊燙左邊冷的感覺，相信各位應(yīng)該有這種經(jīng)驗(yàn)，確實(shí)吃起來(lái)很不爽快，但今天我就是要刻意利用這種現(xiàn)象，來(lái)測(cè)量波長(zhǎng)，所以做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，必須把轉(zhuǎn)盤拿掉，才看得出波長(zhǎng)。

在微波爐的箱體內(nèi)，以我這臺(tái)來(lái)說(shuō)，右手邊的墻面有個(gè)方形的洞，電磁波就是從這里發(fā)射出來(lái)，雖然這個(gè)洞上面有蓋一個(gè)板子，但對(duì)于電磁波來(lái)說(shuō)，那根本就是透明的，純粹只是為了別讓油污跑到洞里。接著電磁波碰到左邊的金屬壁，于是反射后就和入射波迭加形成駐波，所以待會(huì)我們只要確認(rèn)兩個(gè)高溫點(diǎn)之間的距離就可以推算出波長(zhǎng)了。

電磁波在箱體內(nèi)產(chǎn)生駐波

利用芝士測(cè)量波長(zhǎng)

由于我吃過(guò)左冷右熱的三明治，我想利用芝士的融化程度來(lái)測(cè)量波長(zhǎng)應(yīng)該很是很容易的吧，所以就弄了一包芝士鋪在盤子上，如果加熱后有融化應(yīng)該會(huì)看得出來(lái)，如下圖。

利用芝士測(cè)量波長(zhǎng)

之所以還要準(zhǔn)備一個(gè)紙箱是因?yàn)?，要墊高讓盤子剛好對(duì)準(zhǔn)電磁波的出口，照理說(shuō)這樣可以比較容易收到電磁波功率，實(shí)際是不是這樣我不確定，整個(gè)放進(jìn)箱內(nèi)的樣子如下圖。

把芝士放進(jìn)微波爐

經(jīng)過(guò)20秒的加熱之后，把盤子拿出來(lái)看到的情況如下圖，只有盤子右下角的地方有明顯融化痕跡，顏色變得較為深黃色，其余融化的地方，似乎不是那么明顯。

加熱20秒只有右下角明顯融化

附帶一提，這個(gè)右下角的地方就是剛才靠箱門右邊的地方，沒想到靠邊邊的地方功率反而最大，可能因?yàn)橄潴w內(nèi)的各個(gè)物理形狀的尺寸，產(chǎn)生了這個(gè)現(xiàn)象，畢竟電磁波是以立體形狀在傳遞與反射的，并不像課本里的敘述，完全是直線的入射波反射波這么好理解。真的要理解電磁波的立體傳遞方式，除了要理解電磁波的公式之外，再來(lái)就是可以靠軟件仿真的方式來(lái)理解，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這一切真的很難用人腦直觀的去理解。

利用芝士測(cè)量波長(zhǎng)-分段觀察

由于剛才的芝士融化實(shí)驗(yàn)，只有右下角融化，這…我該怎么說(shuō)呢，就是無(wú)法判斷波長(zhǎng)嘛。所以我打算再做一次實(shí)驗(yàn)，只不過(guò)這次我打算要10秒鐘觀察一次，邊加熱邊看看融化的狀況。

第二次的芝士實(shí)驗(yàn)

第一個(gè)10秒鐘，主要是右下角開始融化，跟剛才一樣，其他位置看不出有甚么變化；第二個(gè)10秒鐘，上方的芝士交界處開始融化；第三個(gè)10秒鐘，右方的芝士交界處開始融化，如下圖。基本上觀察了30多秒，芝士雖然有融化，但看不出甚么明顯的波峰波長(zhǎng)，因?yàn)槲移鋵?shí)有偷偷計(jì)算過(guò)微波爐該有的波長(zhǎng)，很明顯就不是剛才這三個(gè)融化位置的距離。

第二次的芝士實(shí)驗(yàn)依舊看不出明顯的融化規(guī)律

看來(lái)每次融化的跡象都出現(xiàn)在芝士的交界處，那我就干脆把芝士撕成一小塊一小塊來(lái)做實(shí)驗(yàn)好了，或許會(huì)比較好觀察，但是我的芝士已經(jīng)所剩無(wú)幾，所以只能鋪個(gè)半盤如下圖，我們就來(lái)看看會(huì)有甚么結(jié)果吧。

以小碎塊的芝士來(lái)觀察波長(zhǎng)

經(jīng)過(guò)幾十秒的加熱，碎芝士融化的樣子如下圖，基本上還是很難判斷波長(zhǎng)，有些芝士融化得很透，有些又只有些微的軟化，基本上我判斷不出波長(zhǎng)要從哪里取得，哎呀! 這該如何是好呢? 我的房間已經(jīng)都是滿滿的芝士香味了。

碎芝士看起來(lái)無(wú)法拿來(lái)判斷波長(zhǎng)

熱顯像儀測(cè)量波長(zhǎng)

既然觀察芝士融化的方法無(wú)法有效量測(cè)波長(zhǎng)，那我只好拿出熱顯像儀來(lái)，方法就變成要加熱原本拿來(lái)墊盤子的紙箱，因?yàn)榧埾涫艿诫姶挪ǖ恼丈湟彩强梢陨郎兀@個(gè)紙箱有點(diǎn)矮，我只好拿了一本書墊在下面，讓紙箱可以頂住電磁波的出口。

加熱紙箱測(cè)量波長(zhǎng)

當(dāng)微波爐對(duì)紙箱加熱之后，由于駐波的關(guān)系，紙箱的表面溫度會(huì)出現(xiàn)高低不等的情況，這個(gè)現(xiàn)象我們可以用熱顯像儀觀察到。請(qǐng)看下圖，這是微波爐剛停止并打開箱門的狀態(tài)，我馬上用熱顯像儀來(lái)觀察，各位可以很明顯地看到熱像儀的屏幕上出現(xiàn)了亮暗間隔的條紋共有四條，這就是溫度高低的呈現(xiàn)，越亮的地方代表溫度越高，所以我們只要知道兩個(gè)亮紋之間的距離就可以了，而且還真的是左右兩邊最亮呢，或許我剛才應(yīng)該把加熱時(shí)間延長(zhǎng)，或許就有機(jī)會(huì)看到中間兩個(gè)高溫處。

熱像儀出現(xiàn)亮暗間隔的條紋

再來(lái)就是要測(cè)量條紋間距了，你以為測(cè)量亮紋之間的距離很容易嗎? 喔，非也。在熱像儀的屏幕上看到亮紋確實(shí)很振奮人心，但我無(wú)法直接拿尺在熱像儀的屏幕上測(cè)量距離啊，我只能先拿奇異筆在箱子上標(biāo)示出亮紋的位置，事后再拿尺量，所以必須一邊看著熱像儀，一邊用奇異筆作記號(hào)，因?yàn)楣P是冷的，在熱像儀中會(huì)呈現(xiàn)黑色，所以相當(dāng)好辨認(rèn)如下圖。

用麥克筆標(biāo)示紙箱的亮紋

我覺得應(yīng)該有人會(huì)想，干嘛不用光標(biāo)卡尺就好了，游標(biāo)的夾具形狀很適合邊看邊測(cè)量，而且還可以實(shí)時(shí)自由伸縮，真的是最佳選擇，講是這樣講，但我偏偏就沒帶光標(biāo)卡尺啊，所以做實(shí)驗(yàn)就是這樣，有時(shí)候出了一些意外，你只能將就一下現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，以能完成任務(wù)為第一優(yōu)先。

由于透過(guò)熱像儀來(lái)抓距離真的超難抓的，你看下圖的紙箱右邊，我不小心手抖了一下還畫了兩條Maker，一個(gè)在6cm處，另一個(gè)似乎在6.7cm的地方，那我們就大概抓一下，算它是6.4cm好了，反正一定會(huì)有誤差的，而且這是量好玩的就不要太計(jì)較了。那6.4cm就是波長(zhǎng)了嗎? 才不是咧，不要興奮過(guò)頭了，各位回頭看一下我那駐波的動(dòng)畫，這個(gè)只是半波長(zhǎng)喔，因?yàn)樗邱v波的波峰距離而已，真正的波長(zhǎng)是兩倍的6.4cm，也就是12.8cm。

用尺測(cè)量波長(zhǎng)

計(jì)算光速

現(xiàn)在該有的數(shù)據(jù)都有了，頻率是2460.625MHz，波峰距離是12.8cm，那就要開始來(lái)算光速了喔，計(jì)算之前要把單位全部都改為Hz和m，才能算出正確的結(jié)果，有時(shí)候背公式都背到忘記單位了，一定要確認(rèn)單位是你自己需要的，根據(jù)公式我把光速的計(jì)算過(guò)程列出如下:

光速

=波長(zhǎng)x頻率

=0.128(m) x 2460625000(Hz)

=314960000 (m/s)

這個(gè)算出來(lái)的光速，如果把它拿來(lái)跟目前科學(xué)界所定義的光速299,792,458m/s來(lái)做比較的話，我算出來(lái)的速度明顯是超光速了，哇賽! 這是甚么黑科技，雖然不合理但還能接受啦，畢竟是用微波爐、麥克筆還有文具店的塑料尺量出來(lái)的結(jié)果，有誤差其實(shí)不意外。各位也可以想看看如何可以增加量測(cè)的準(zhǔn)確度，若不管誤差的話，其實(shí)這整個(gè)過(guò)程還滿有趣的呢。

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編輯：黃飛

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