最初的光速是如何測量的？

光在空氣中的速度為299,552,816 m/s，一般四舍五入為3x10⑻米／秒。這個速度有多快呢？光在一秒鐘內(nèi)前進的距離大約就可以繞地球赤道7圈半，也就是說，幾乎一眨眼的時間，光就可以毫不費力的環(huán)游世界。從地球到月球的距離約為38萬公里，光打個來回也僅僅需要兩秒多（事實上，地球和月球之間的準確距離就是計算激光來回所花費時間得到的）。而人類在1969年第一次登月，花費了三天多的時間才到達月球，由此可見光速有多快。光速是目前人類已知速度的上限。既然光速這么快，最初的科學家們是如何測量光速的呢？

▏伽利略的測量

17世紀以前，人們一直認為光是無限快的，甚至連著名科學家開普勒和笛卡爾都對此深信不疑。但一位我們很熟悉的科學家——伽利略，提出了不同的觀點。他認為，光速雖然很快，但仍是有限的，并且可以被測量出來。

為了證實自己的猜想，伽利略在1607年設計了歷史上第一個光速測量實驗。伽利略一行四人，分成A和B兩組，分別登上兩座相隔1.6千米左右的山峰，每組都攜帶有一盞改裝過的煤油燈。燈的一面加裝了滑蓋，當放下滑蓋時，從另一座山峰上看，亮光就會被擋住。進行實驗時，他們只需要快速地拉開滑蓋，就能利用煤油燈的光發(fā)出信號。除了兩盞煤油燈外，他們還攜帶了鐘擺計時器（伽利略發(fā)明的計時裝置，是擺鐘的前身），以及記錄數(shù)據(jù)的紙和筆。

伽利略的實驗方法非常簡單：A組拉開擋板發(fā)出信號的同時開始計時，當B組看到信號后也立即拉開擋板，A組看到B組反饋的光信號后結(jié)束計時。伽利略認為，兩座山峰間距離的兩倍除以計時時間就等于光速。

理論上來講，伽利略的實驗沒什么問題，但伽利略沒有預料到光速會如此之快——光跨越1.6千米的距離只需要18.75萬分之一秒，當時沒有任何計時工具可以達到這樣的精度，以至于這個實驗根本不可能測出光速。如果不計兩人的反應時間和遮住燈的時間，光傳播這段距離的時間只需要幾微秒，以當時的設備條件無法完成測量。伽利略也承認，他沒有通過這個實驗測出光速，也沒有判斷出光速是有限的還是無限的。雖然伽利略的實驗失敗了，但他邁出了人類探索光速的第一步。

▏利用木星測光速

真正意義上的光速測量是從丹麥天文學家奧勒·羅默開始的。1610年，伽利略利用自己改進的望遠鏡發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，其中木衛(wèi)一最靠近木星，每42.5小時繞木星一圈。而且，木衛(wèi)一的軌道平面非常接近木星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道，所以，有時候木衛(wèi)一會轉(zhuǎn)到木星背面，太陽的光無法照射到木衛(wèi)一，地球上的人就看不到這顆衛(wèi)星了，稱為木衛(wèi)一蝕。

我們來看一個示意圖，地球繞著太陽A在圓軌道FGLK上逆時針運動，木衛(wèi)一繞著木星B也在逆時針運動。木星背后CD之間是木星的陰影區(qū)，如果木衛(wèi)一進入這部分陰影，太陽光照射不到它，人們就無法看到它。也就是說，當木衛(wèi)一到達C點時就會消失，稱為“消蹤”，如果木衛(wèi)一從陰影出來，就能夠被人觀察到，也就是木衛(wèi)一到達D點時就會出現(xiàn)，稱為“現(xiàn)蹤”。羅默就是利用這個現(xiàn)象測量光速的。

首先，我們研究地球靠近木星時發(fā)生的消蹤和現(xiàn)蹤現(xiàn)象。當木衛(wèi)一到達C點時進入陰影，這個現(xiàn)象的光需要傳播一段距離才能到達地球。假設光從C傳播到地球時地球位于F點，那么人們觀察到消蹤現(xiàn)象就比木衛(wèi)一進入陰影時間晚了一些，這段時間等于CF長度與光速之比。當木衛(wèi)一到達D點時走出陰影，重新反射太陽光。這個現(xiàn)象也需要一段時間才能到達地球。由于地球在運動，假設這束光到達地球時地球位于G點，那么，人們觀察到現(xiàn)蹤現(xiàn)象也比木衛(wèi)一走出陰影時間晚了一些，這段時間等于DG長度與光速之比。

但是，由于CF比DG長，所以消蹤現(xiàn)象延遲比現(xiàn)蹤現(xiàn)象延遲多一些，即晚發(fā)現(xiàn)消蹤，早發(fā)現(xiàn)現(xiàn)蹤。消蹤與現(xiàn)蹤的時間間隔比木衛(wèi)一在陰影中的時間要短。我們可以用一個線段圖表示這個關系。

同樣，我們可以討論地球遠離木星時的消蹤和現(xiàn)蹤現(xiàn)象。如果地球到達L發(fā)現(xiàn)木星消蹤，到達K發(fā)現(xiàn)木星現(xiàn)蹤，由于地球在遠離木星，所以LC的長度小于KD的長度，早發(fā)現(xiàn)消蹤，晚發(fā)現(xiàn)現(xiàn)蹤，人們觀察到消蹤和現(xiàn)蹤的時間間隔就會比木衛(wèi)一實際在木星陰影中的時間長。

1671年到1673年，羅默進行了多次觀測，并且得出在地球遠離木星時，消蹤、現(xiàn)蹤時間差比靠近時長了7分鐘，并得出了光的速度在214300km/s．這個光速值盡管離光速的準確值相差甚遠，但它卻是測定光速歷史上的第一個記錄。牛頓和惠更斯這兩位科學巨匠雖然在光到底是粒子還是波的問題上爭執(zhí)不休，但是在光速測量上都支持了羅默的方法。牛頓還測量了光從太陽發(fā)射到地球需要8分鐘的時間，也就是說：我們看到的太陽是8分鐘以前的太陽。

▏接近正確答案

首次準確在地球上，而不是依靠天體運動來測量光速的實驗是在1849年由法國物理學家阿曼德·斐索實行的，他使用的方法叫做齒輪測速法。

斐索將一個點光源放在透鏡的焦點處，在透鏡與光源之間放一個齒輪，在透鏡的另一測較遠處依次放置另一個透鏡和一個平面鏡，平面鏡位于第二個透鏡的焦點處。點光源發(fā)出的光經(jīng)過齒輪和透鏡后變成平行光，平行光經(jīng)過第二個透鏡后又在平面鏡上聚于一點，在平面鏡上反射后按原路返回。實驗中齒輪的齒與光源齊平，也就是說光線可以通過齒槽，但是如果齒輪的齒在光源前面轉(zhuǎn)動，就會擋住光線。所以，只需轉(zhuǎn)動齒輪，觀察光源閃爍。這樣，當齒輪轉(zhuǎn)動時，從光源一側(cè)射入鏡中的光也在閃爍。

在剛開始轉(zhuǎn)速比較慢的時候，因為光速很快，光仍然會通過同一個齒縫回來。但是當齒輪越轉(zhuǎn)越快，達到某個特定速度時，光返回的時候這個齒縫剛好轉(zhuǎn)過去，于是光就被擋住了，我們就看不到那束光了。當齒輪的轉(zhuǎn)速繼續(xù)加快，快到一定程度時，光返回的時候恰好可以穿過了下一個齒縫，于是我們又能看見這術光了。這樣的話，只要知道齒輪的轉(zhuǎn)速、齒數(shù)，還有我們到鏡子的距離，就能計算出光速。這個實驗最巧妙的地方在于，它不需要用到計時器，之前所有的光速測量實驗都失敗的根本原因就在于找不到足夠精度的計時裝置。

就這樣，在菲索不懈的努力下，當齒數(shù)上升到 720 齒，光源距鏡子的距離達 8 千米，轉(zhuǎn)數(shù)達到12.67 轉(zhuǎn)/秒的時候，菲索首次觀察到光被擋住的現(xiàn)象。當轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高一倍后，菲索又再次看到了光束。由于齒輪的轉(zhuǎn)速已知，即齒輪轉(zhuǎn)動的周期已知。因此，將一轉(zhuǎn)的周期除以總齒數(shù)，就可以得到轉(zhuǎn)動一個齒的時間。既然我們知道了光來回到這個距離的時間，再測量觀察者到平面鏡的距離，我們就可以計算出光速了。

不過這個實驗的難點在于光速太快了。因此，他必須設法將平面鏡放置得足夠遠。這個實驗的誤差因素很多，距離的限制造成的誤差影響會比較大。即便如此，斐索測得的光速還是很準確的。經(jīng)過28次反復實驗，他得出的數(shù)值約為每秒31.33萬公里，與現(xiàn)代準確數(shù)值僅相差5%。

▏因測量光速獲得諾貝爾獎

200年之后，第一個把光速測量精度大幅提高的人是美國物理學家邁克爾孫。1877到1879年，邁克爾孫改進了傅科發(fā)明的旋轉(zhuǎn)鏡，示意圖如下：

| 邁克爾孫測量光速裝置示意圖

邁克爾孫在相隔較遠的兩處分別放置八面鏡M1和反射裝置M2、M3，讓一束光經(jīng)過八面鏡中的鏡面1反射后發(fā)出，再通過M2和M3反射回八面鏡，經(jīng)過鏡面3反射后進入觀察目鏡。只有在如圖所示的位置時，觀察目鏡處才會有光。如果八面鏡轉(zhuǎn)動一點，經(jīng)過界面1反射的光就無法照射到M2，觀察目鏡上就看不到光了。

如果讓八面鏡旋轉(zhuǎn)起來，并且角速度逐漸增大，會發(fā)現(xiàn)某個角速度下又可以從觀察目鏡中看到光了。這是因為界面1剛好傾斜45度角時，光線經(jīng)過界面1反射到達M2，再返回八面鏡時，八面鏡剛好轉(zhuǎn)動一格（1/8周期），于是界面2剛好跑到圖中鏡面3的位置，將光線反射進入觀察目鏡。由于視覺暫留現(xiàn)象，觀察目鏡中就好像一直可以看到光。

假設左右兩套裝置相距為L，當八面鏡轉(zhuǎn)動周期為T時，可以從觀察鏡中看到光，由于L遠遠大于其它部分的長度，所以光從界面1反射到左側(cè)，再回到八面鏡走過的距離近似為：S=2L。根據(jù)剛才的分析，光來回運動一次，八面鏡剛好走過1格，時間為：t=T/8。因此光的速度為

根據(jù)這個原理，邁克爾孫測出光的速度為299853±60km/s，與我們今天測量的更加精確的值非常接近。在當時，這被認為是最精確的數(shù)據(jù)，而邁克爾遜也因此獲得了1907年諾貝爾物理學獎。

| 邁克爾遜手寫的實驗結(jié)果

這之后幾十年里，新的實驗技術和實驗方法層出不窮，科學家測得的光速值也越來越精確。最終，在1972年，美國標準局埃文森等人用測量激光頻率和真空中光的波長的方法，測得光速為299792.458千米/秒。這一數(shù)值也在1975年召開的第十五屆國際計量大會被作為國際推薦值使用。不久后的1983年，國際計量大會直接規(guī)定光速的值為299792458m/s, 并且反過來用光速重新定義了米。也就是說現(xiàn)在的光速值是給定的，不會再改變了，精度也不會再繼續(xù)提高了，因為它已經(jīng)成了“米”這個基本單位的基準。所謂的基準，就是指“米”這個單位的最高精度是由光速的值給出的，因為光速值具有很好的穩(wěn)定性和重復性。人們從無法測量光速到人們測量出較為精確的光速，共經(jīng)歷了300多年的時間。

（圖片來源于網(wǎng)絡）

作者 | 顧俊哲

計算機科學與技術碩士，畢業(yè)后從事網(wǎng)絡信息收集與整理工作，關注大眾科普知識，探索前沿科技。