跟著科學(xué)家去追光

北冰洋

校運會上，你跑100米的速度是多少？體育老師通過秒表就能測量出來。高速路上，你爸爸開車的速度又是多少？交通系統(tǒng)通過雷達測速儀就能測量出來。可若是要讓你來測量光的速度，你該如何應(yīng)對呢？

別急，這項任務(wù)本來就不簡單。在人類發(fā)展史上，有很多科學(xué)家都曾為此絞盡腦汁。讓我們一起來看看他們是怎么干的吧！

伽利略：光瞬間跨越山峰，我抓不住

在很早的時候，古代的學(xué)者們認(rèn)為光的速度是無限快的，因為人們一睜開眼，就能看見遙遠的星星。到了17 世紀(jì)，伽利略才提出了不同的觀點。他認(rèn)為光的速度是有限的，并且可以測量。

伽利略進行了世界上第一個測量光速的實驗。他帶著幾個助手分別登上了兩座相距幾公里的山峰，并各自點亮了一盞燈。然后，伽利略遮住了燈。根據(jù)實驗的設(shè)想，當(dāng)另一座山峰上的助手看到伽利略這邊的燈被遮住之后，立馬也會遮住自己那邊的燈。如此一來，伽利略根據(jù)這個時間差和兩座山峰之間的距離，就可以計算出光的速度了。

可惜，伽利略并沒有通過這個實驗測量出光的速度。因為這段距離對光來說太短了，現(xiàn)在的我們已經(jīng)知道，光只需要一秒，就可以環(huán)繞地球赤道7 圈半，而在當(dāng)時，以人的反應(yīng)速度和測量設(shè)備根本無法得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。“即使光速是有限的，也一定快到不可思議。”伽利略感慨。

羅默：追光，我靠星星來試試

科學(xué)家們意識到，光速這么快，用傳統(tǒng)的測量方法是行不通的。那么，是否可以在更大的尺度上來嘗試呢？于是，他們仰頭看向了天上的星星。

當(dāng)時的天文學(xué)家已經(jīng)知道，每當(dāng)木星的衛(wèi)星之一“木衛(wèi)一”繞木星一周，就會在進入木星的影子處發(fā)生一次“木衛(wèi)一蝕”，類似于月蝕。這個過程，可以類比為伽利略的助手去到了木衛(wèi)一附近，把它遮住了。丹麥天文學(xué)家羅默決定利用這個天文現(xiàn)象來測量光速。1676 年，羅默對“木衛(wèi)一”進行了長期的觀測。他發(fā)現(xiàn)“木衛(wèi)一蝕”的發(fā)生時間與地球和木星的距離有關(guān)：當(dāng)?shù)厍蚩拷拘菚r，提前發(fā)生；當(dāng)?shù)厍蜻h離木星時，延后發(fā)生。實際看到“木衛(wèi)一蝕”的時間通常比推算的時間要晚十幾分鐘。

羅默預(yù)言：在1676 年11 月9 日上午5 時25 分發(fā)生的“木衛(wèi)一蝕”將推遲10 分鐘。最終，觀測結(jié)果證實了他的預(yù)言。他還推斷，這是因為光需要花費一定時間才能從木衛(wèi)一傳播到地球上的觀察者眼中。他據(jù)此估算出了光速約為每秒21 萬公里。羅默利用天體運動來測量光速的方法得到了廣泛的認(rèn)可和支持。借鑒這個方法，牛頓還測量出光從太陽發(fā)射到地球需要8 分鐘的時間。這讓那個年代的人們第一次意識到：他們看到的太陽其實是8 分鐘以前的太陽。

到了18 世紀(jì)，英國物理學(xué)家布拉德雷通過觀察恒星位置隨季節(jié)變化而產(chǎn)生的微小擺動現(xiàn)象，并進一步改進羅默的方法，測量到了更精確的光速——每秒30萬公里。

斐索：追光，有齒輪就行

每秒30 萬公里已經(jīng)是光速的一個較為精確的數(shù)據(jù)，但科學(xué)家們對于光速的測量沒有停止。

18 世紀(jì)，法國物理學(xué)家阿曼德·斐索發(fā)明了齒輪旋轉(zhuǎn)法來測量光速。他利用旋轉(zhuǎn)的齒輪和鏡子來打斷和反射一束光，并根據(jù)光在不同位置出現(xiàn)的時間差來計算光速。在沒有任何先進儀器的幫助下，斐索計算出光速約為每秒31.33 萬公里。這是光速測量史的開創(chuàng)之舉。

19 世紀(jì)末，美國物理學(xué)家邁克爾遜與莫雷合作，他們試圖找到光是靠什么介質(zhì)來傳播的，是不是通過“以太”來傳播。然而，他們的實驗卻證明了“以太”并不存在，光速似乎是一個恒定的值。邁克爾遜一次又一次改進齒輪旋轉(zhuǎn)法，獲得光速值為每秒299853±30 公里。這是當(dāng)時最精確的紀(jì)錄。

至此，光速的測量告一段落。

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1905 年，愛因斯坦受到邁克爾遜- 莫雷實驗的啟發(fā)，提出了狹義相對論。他假設(shè)光速是不變的，并且還不受觀察者的運動狀態(tài)影響。這一理論成為現(xiàn)代物理學(xué)的基石之一。

光速，已是定義

進入20 世紀(jì)后，隨著雷達和激光等技術(shù)的發(fā)展，人類對于光速有了非常精確的測量結(jié)果。光速，最終也成為物理學(xué)的一個定義值。

1973 年，在第14 屆國際計量大會上，《米制公約》修訂通過了一個重要決議：將光在真空中行進1/299792458 秒內(nèi)的距離定義為1 米。這樣，就把米與真空中的光速c 聯(lián)系在了一起，使得1 米成為一個精確的常數(shù)，不再需要測量。

于是，光速c =299792458m/s。怎么樣，你記住了嗎？