光速是如何測量的？

大家都知道：光的傳播速度非?？欤幻腌娋湍茏?0萬公里，一秒鐘就可以繞地球七圈半。這么快的速度，人類是如何測量的呢？

一.伽利略的測量

在古希臘時代，對于光速的數(shù)量級，人們并不是很清楚。一些科學家，比如亞里士多德，甚至認為光速是無限大的。更好玩的是，有人認為：光是從眼睛中發(fā)射出來的，我們一睜眼就能看到遙遠的星星，所以光速一定是無限大的。

文藝復興之后，近代科學的先驅(qū)伽利略做了第一個測量光速的實驗，當時是1638年。

伽利略和他的助手站在兩個相隔較遠的山頭上，每個人手里拿著一盞燈。伽利略首先遮住燈，助手看到伽利略遮住燈之后，立刻遮住自己的燈。伽利略的設(shè)想是測量從遮住燈到看到助手遮住燈相差的時間，這段時間內(nèi)，光剛好在兩人之間傳播了一個來回，這樣就可以測出光速了。

然而，光速如此之快，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(yīng)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(shè)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。不過，伽利略說：“即便光速是有限的，也一定快到不可思議?！?/p>

二.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(shè)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(shè)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(guān)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量級的結(jié)論。

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。

三.邁克爾孫和傅科實驗

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M2M3，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(shè)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

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。

現(xiàn)在，人們使用更加精確的方法測出光在真空中的速度為299792458m/s，并且利用光速來定義“米”的概念。1米就等于光在真空中傳播299792458分之一秒內(nèi)傳播的距離。如果距離非常大，人們就使用光年的概念：1光年等于光在一年時間里走過的距離，大約。我們能看到幾百萬光年之外的恒星，那是因為那些恒星早在幾百萬年前就開始發(fā)光了，直到今天它們發(fā)出的光才到達地球。換句話說，我們看到的是它們幾百萬年前的樣子，今天它還存在不存在，還是個未知數(shù)呢！

END

來源：李永樂老師