趙桂紅

千百年來，很多科學家前仆后繼，探索光的奧秘。光速的測定在科學史上具有非常特殊而重要的意義，它打破了光速無限的傳統(tǒng)觀念，促進了物理學的發(fā)展。

伽利略的兩個燈籠

早在17世紀初，愛挑戰(zhàn)權威的伽利略就進行了史上第一個測定光速的實驗。他找來兩個人和兩盞燈籠，讓他們分別站在兩座相距1英里（約等于1.6千米）的山頂上。第一個人舉起燈籠時便開始計時，第二個人看到第一個人的燈籠便也立即舉起自己的燈籠，當?shù)谝粋€人看到第二個人的燈籠時便停止計時。這樣一來二去就可以得到光行進兩英里（約等于3.2千米）所需要的時間，從而求出光的速度。燈籠實驗的示意圖如圖1所示，稍微一想便知道，這個實驗的誤差太大，不可能成功。伽利略也承認，自己的實驗沒辦法給出確切的光速，他只知道，光的速度一定非?？?。如今我們已經可以計算出，光行走兩英里所需要的時間大約是11微秒，這是不可能被人察覺到的。雖然這個燈籠實驗質樸得有點好笑，但是這個嘗試卻為光速的測定開了先河。

奧勒·羅默的太陽系沙盤

丹麥天文學家奧勒·羅默是世界上第一個通過實驗測量給出光速具體數(shù)值的人。他進行推算的沙盤，大到讓人感到不可思議：羅默是靠木星及其衛(wèi)星的移動，及它們與太陽及地球的位置關系估算出光速的。木星有四個衛(wèi)星，其中距離木星最靠近的衛(wèi)星一號（木衛(wèi)一）在圍繞木星旋轉的某些時刻，會藏到木星的背后，這個現(xiàn)象被稱為木衛(wèi)一蝕。當時的人們已經計算出了木衛(wèi)一每隔42.5小時就繞木星一周，每次都會出現(xiàn)一次木衛(wèi)一蝕。

羅默繪制的示意圖如圖2所示，其中A為太陽，B為木星，小圓是木衛(wèi)一的軌道。當木衛(wèi)一位于陰影CD之間時，發(fā)生木衛(wèi)一蝕。大圓是地球的公轉軌道。羅默認為，雖然木衛(wèi)一蝕的周期恒定，但當?shù)厍蛱幱诓煌恢茫ㄈ鏛、K點）時，觀測到木衛(wèi)一蝕的時間也會有所改變。簡單地說，當?shù)厍蛟诠D軌道上靠近木星的位置上時，會更早地看見木衛(wèi)一出現(xiàn)，而當?shù)厍蛞苿拥诫x木星較遠的位置上時，光行進到地球所需的時間就會變長，那么木衛(wèi)一出現(xiàn)的時間就會推遲。這個時間差足夠大，比起伽利略的燈籠實驗，可觀測性要大多了。

羅默花了十幾年時間來觀測木衛(wèi)一蝕，他只憑借著望遠鏡、手表，記錄一年之中不同日子里木衛(wèi)一蝕的時間差，再計算這些時刻地球位置的改變，推算出光速大約為220000千米/秒。這個數(shù)值和今天我們知道的光速相差甚遠，但已經是一個非常了不起的結果。而且，羅默光速的誤差，更多的要歸咎于當時計算水平的不足，他的方法是非常準確的。現(xiàn)代科學家按照羅默的方法進行計算校正后，可以得到非常接近現(xiàn)代光速的數(shù)值298000千米/秒。

8千米外的反光鏡

羅默過后的科學界一片沉寂，過了差不多兩百年，1849年，法國物理學家阿曼達·斐索首次在地球上測量出了光的速度。他使用了光源、旋轉的遮板和一個固定在大約8千米開外的反光鏡，方法原理與伽利略的大致相同（如圖3所示），并不難理解。當光源發(fā)出的光線由轉動遮板的齒輪空隙射至遠方的反光鏡被折返回來時，只有在適當?shù)凝X輪轉速下才能再次穿過遮板的齒輪空隙從而被觀測到。

通過這種方法，斐索算得光速是315000千米/秒，之所以和目前的光速有著一定差距，是因為遮板齒輪擁有一定的寬度，因此限制了測算的精確度。1862年，法國物理學家萊昂·傅科在斐索的實驗基礎上進行改良，將旋轉的遮板換成了旋轉的平面鏡，光在遠方折返回來后打在旋轉鏡上，只要知道平面鏡的旋轉速度、光束最后被平面鏡反射出去的角度，就可以計算出光的速度。經過多次測算，傅科算得的光速刷新了歷史，精確到了298000千米/秒，離如今的約299792千米/秒已經非常接近。

用光重新定義米

我們剛剛介紹的測量方法，都是基于“距離-時間-速度”的公式計算的。想要提高精確度，唯一的方法就是拉長測算的距離。1926年，一個叫麥爾克遜的美國人將反射鏡間的距離提高到了35千米，測得光速為299796千米/秒。這是當時最精確的數(shù)值，但很快人們就發(fā)現(xiàn)，想要算得更精確的數(shù)值，靠原始的光學法是行不通的。

從20世紀初開始，科學家們開始試著用電子學的方法測量光速。這也標志著，光速的測定從遙遠的天上、田野里轉移回了實驗室中，科學家們埋頭在微小的電路板間、精巧的光電器械中苦修。1972年，美國國家標準技術研究所的科學家們利用激光干涉法測量光速，得到了（299792456±1.1）米/秒的數(shù)值。

這個數(shù)值有多精確呢？事實上，它唯一的不確定性主要來自單位米定義的不確定性。也就是說，錯的不是光速，而是米。為了解決這個問題，1983年，在第17屆國際度量衡大會上，人們重新定義了單位米，從那以后，1米就是光在真空環(huán)境下1/299792458秒內通過的長度。這個決定徹底解決了光速測量的問題，給這段長達300 年的物理學史畫上了圓滿的句號。