光速要如何測量呢? 一般來說是需要非常精密的儀器才能準確測量，但今天我打算用微波爐和塑料尺來做光速量測 。由于光也是電磁波，只不過頻率非常高，所以光速跟電磁波的速度是一樣的，我才有辦法透過量測電磁波的速度來認定光速。既然是要利用消費性電子產品和塑料尺來做量測工具，想當然爾量測結果一定會有一些誤差，但我本來就沒有要做很精準的測量，這只是要測好玩的，大家可以先猜猜看最后量到的光速是多少。

波速如何計算

先來科普一下，波的速度該怎么計算呢? 這跟算車速完全一樣，只要把物體所經過的距離除以所花費的時間，就會得到速度。算波速也是一樣，電磁波一定有波峰波谷，下圖中兩個垂直線波峰之間的距離稱為波長Wavelength，當波在移動的時候，下圖中的紅點就會先下再上，當紅點又回到原本波峰的高度時，這上下一次所花的時間稱為周期Period，而此時電磁波也剛好移動了一個波長的距離，所以波速計算的方法就是將波長除以周期，或是說波長乘以頻率。

波速的計算公式

所以要測量光速，或是說要測量電磁波的速度，只要我們能得到頻率和波長，就可以計算出波速了，也就是光速。光速目前定義為299,792,458m/s，這個速度只發生在真空中，如果在空氣中會稍微慢一點點，但這個一點點比起我們實驗的誤差，其實小很多完全感覺不出來，等光速量測關鍵要素-頻率

我拿微波爐來用就是要利用它的頻率，微波爐背后的卷標，都會標示它的工作頻率，像我這臺微波爐它的工作頻率就在2450MHz，基本上微波爐都會在這個頻率上，我直接拿這個頻率來計算波速，其實是可以的。

一般微波爐頻率都是2450MHz

只不過就像零食包裝上的凈重標示一樣，標示與實際內容總是會有誤差，我就很好奇微波爐實際工作起來，頻率到底會偏移多少呢? 出于好奇心，我請出了頻譜分析儀來實際測量頻率如下圖，先說喔! 這只是好奇心驅使而已，這臺頻譜分析儀就算不出動它，一樣可以計算出光速喔。我用左邊的Wifi天線來接收微波爐泄漏出來的電磁波，我把中心頻率設定為2450MHz，如果待會運轉起來，有一根功率出現在屏幕的正中間，那表示工作頻率真的剛好是2450MHz，但我想應該不會這么剛好，目前微波爐還沒有上電，所以下圖頻譜的屏幕是空的。

用頻譜測量實際的頻率

為了避免微波爐空轉，運轉時我必須要在微波爐內放一杯水來加熱，否則沒有被消耗掉的電磁波反而會損害里面的磁控管，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一個尖尖的峰值如下圖，很明顯的這個峰值頻率并沒有剛好在中間，經過Marker的標示，這個頻率位于2.460625GHz，距離原本標稱頻率的2450MHz，大約偏移了10MHz左右。這種偏移其時無妨，因為微波爐只是要拿來加熱用，偏個幾十MHz都沒關系，畢竟微波爐不是通訊設備，如果是像Wifi這種通訊設備，那對于頻率的要求就很嚴格了，如果偏個20MHz那就到另一個頻道了，根本就是錯頻，所以不同應用之下的頻率穩定性要求是不同的。

微波爐的實際工作頻率有偏差

光速量測關鍵要素-波長

接著要來測量波長，該怎么測量呢? 一樣先來科普一下，微波爐的箱體是金屬做的，金屬對于電磁波來說就像一面鏡子，所以電磁波遇到金屬的時候就會發生反射，這一反射就會產生駐波，如下圖。

反射波與入射波迭加形成駐波

所謂駐波就是當兩個大小相等方向相反的波，彼此迭加之后，所產稱的波就如紅色波所示，它會在某些地方形成結點，在這里永遠不會有能量出現，但在某些地方，卻會形成波峰，所以在微波爐內如果沒有轉盤轉動的話，里面的食物就會出現局部冷熱共存的現象，這吃在嘴里就會是右邊燙左邊冷的感覺，相信各位應該有這種經驗，確實吃起來很不爽快，但今天我就是要刻意利用這種現象，來測量波長，所以做實驗的時候，必須把轉盤拿掉，才看得出波長。

在微波爐的箱體內，以我這臺來說，右手邊的墻面有個方形的洞，電磁波就是從這里發射出來，雖然這個洞上面有蓋一個板子，但對于電磁波來說，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，所以待會我們只要確認兩個高溫點之間的距離就可以推算出波長了。

電磁波在箱體內產生駐波

利用芝士測量波長

由于我吃過左冷右熱的三明治，我想利用芝士的融化程度來測量波長應該很是很容易的吧，所以就弄了一包芝士鋪在盤子上，如果加熱后有融化應該會看得出來，如下圖。

利用芝士測量波長

之所以還要準備一個紙箱是因為，要墊高讓盤子剛好對準電磁波的出口，照理說這樣可以比較容易收到電磁波功率，實際是不是這樣我不確定，整個放進箱內的樣子如下圖。

把芝士放進微波爐

經過20秒的加熱之后，把盤子拿出來看到的情況如下圖，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，可能因為箱體內的各個物理形狀的尺寸，產生了這個現象，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，再來就是可以靠軟件仿真的方式來理解，你就會發現這一切真的很難用人腦直觀的去理解。

利用芝士測量波長-分段觀察

由于剛才的芝士融化實驗，只有右下角融化，這…我該怎么說呢，就是無法判斷波長嘛。所以我打算再做一次實驗，只不過這次我打算要10秒鐘觀察一次，邊加熱邊看看融化的狀況。

第二次的芝士實驗

第一個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10秒鐘，上方的芝士交界處開始融化；第三個10秒鐘，右方的芝士交界處開始融化，如下圖?；旧嫌^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，因為我其實有偷偷計算過微波爐該有的波長，很明顯就不是剛才這三個融化位置的距離。

第二次的芝士實驗依舊看不出明顯的融化規律

看來每次融化的跡象都出現在芝士的交界處，那我就干脆把芝士撕成一小塊一小塊來做實驗好了，或許會比較好觀察，但是我的芝士已經所剩無幾，所以只能鋪個半盤如下圖，我們就來看看會有甚么結果吧。

以小碎塊的芝士來觀察波長

經過幾十秒的加熱，碎芝士融化的樣子如下圖，基本上還是很難判斷波長，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要從哪里取得，哎呀! 這該如何是好呢? 我的房間已經都是滿滿的芝士香味了。

碎芝士看起來無法拿來判斷波長

熱顯像儀測量波長

既然觀察芝士融化的方法無法有效量測波長，那我只好拿出熱顯像儀來，方法就變成要加熱原本拿來墊盤子的紙箱，因為紙箱受到電磁波的照射也是可以升溫，但這個紙箱有點矮，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。

加熱紙箱測量波長

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

熱像儀出現亮暗間隔的條紋

再來就是要測量條紋間距了，你以為測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很振奮人心，但我無法直接拿尺在熱像儀的屏幕上測量距離啊，我只能先拿奇異筆在箱子上標示出亮紋的位置，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，因為筆是冷的，在熱像儀中會呈現黑色，所以相當好辨認如下圖。

用麥克筆標示紙箱的亮紋

我覺得應該有人會想，干嘛不用光標卡尺就好了，游標的夾具形狀很適合邊看邊測量，而且還可以實時自由伸縮，真的是最佳選擇，講是這樣講，但我偏偏就沒帶光標卡尺啊，所以做實驗就是這樣，有時候出了一些意外，你只能將就一下現場的設備，以能完成任務為第一優先。

由于透過熱像儀來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，一個在6cm處，另一個似乎在6.7cm的地方，那我們就大概抓一下，算它是6.4cm好了，反正一定會有誤差的，而且這是量好玩的就不要太計較了。那6.4cm就是波長了嗎? 才不是咧，不要興奮過頭了，各位回頭看一下我那駐波的動畫，這個只是半波長喔，因為它是駐波的波峰距離而已，真正的波長是兩倍的6.4cm，也就是12.8cm。

用尺測量波長

計算光速

現在該有的數據都有了，頻率是2460.625MHz，波峰距離是12.8cm，那就要開始來算光速了喔，計算之前要把單位全部都改為Hz和m，才能算出正確的結果，有時候背公式都背到忘記單位了，一定要確認單位是你自己需要的，根據公式我把光速的計算過程列出如下:

光速

=波長x頻率

=0.128(m) x 2460625000(Hz)

=314960000 (m/s)

這個算出來的光速，如果把它拿來跟目前科學界所定義的光速299,792,458m/s來做比較的話，我算出來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的結果，有誤差其實不意外。各位也可以想看看如何可以增加量測的準確度，若不管誤差的話，其實這整個過程還滿有趣的呢。

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編輯：黃飛

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