要有光：人类是怎么测量光速的？

光是万物之源。光合作用造就了地球上的生命，而光和火则推进了人类文明的进程。千百年来，无数人前仆后继，希望能从科学的角度上解读光。其中，对光速的测定在科学史上具有非常特殊而重要的意义，它打破了光速无限的传统观念，让人们得以窥探到光的本质，推进了物理学的发展。

^{光伴随人类发展（wordpress）}

伽利略的两个灯笼

一直到17世纪，对于光是否拥有速度这一问题，科学界都还没有定论。早在公元前4世纪，就有人提出，光是一种运动，必须花费一些时间来行进，因此，光是具有速度的。这个说法被很多鼎鼎有名的人包括亚里士多德、开普勒、笛卡尔所反对，他们认为，光的传播是瞬间完成的，不需要时间。

在科学界，打嘴仗是没有用的，只有实验才能终结争论。早在1638年之前，爱挑战权威的伽利略就进行了史上第一个测定光速的实验。他的实验计划非常简单：找来两个人和两盏灯笼，让他们分别站在两座相距一英里的山顶上。第一个人举起灯笼时便开始计时，第二个人看到第一个人的灯笼便也立即举起自己的灯笼，当第一个人看到第二个人的灯笼时便停止计时，这样一来二去就可以得到光行进两英里所需要的时间，从而求出光的速度。

^{灯笼实验的示意图（hamamatsu）}

稍微一想便知道，这个实验的误差太大，绝对不可能成功。伽利略也承认，自己的实验没办法给出确切的光速，他只知道，光的速度一定非常快。他没有猜错：如今我们已经可以计算出，光行走两英里所需要的时间大约是11微妙，这是不可能被人所察觉的。

虽然这个灯笼实验质朴得有点好笑，但是这个尝试却为光速的测定开了先河。作为科学界的红人，伽利略也引领时尚，为这个物理问题带来了不少关注。

^{伽利略（wikipedia）}

太阳系是他的沙盘

在巴黎天文台就职的丹麦天文学家奥勒·罗默（Ole R?mer）是世界上第一个通过实验测量给出光速具体数值的人。他进行推算的沙盘，大到让人感到不可思议：罗默是靠木星及其卫星的移动、与太阳及地球的位置关系估算出光速的。

^{罗默（sciencefigure）}

奇妙的是，追溯起来，罗默的推算，还要感谢伽利略。

^{为了纪念伽利略，NASA的木星探测器“朱诺号”带上了意大利提供的伽利略铝质纪念牌，上面镌刻有伽利略自画像和他于1610年发现木星卫星的亲笔记录（wikipedia）}

1610年，伽利略通过望远镜发现木星周围的四个天体，并观测到它们会忽然消失，据此，他推断这四个天体是木星的卫星，在围绕木星旋转的某些时刻，它们会藏到木星的背后。这是伽利略推翻“日心说”的有力证据，这个现象也被称为“行星掩星”，而其中最靠近木星的卫星一号（木卫一）的此种现象，被称为“木卫一蚀”。

“木卫一蚀”就是罗默计算光速的关键。当木卫一绕到木星背后的时候，它会在望远镜的视野中忽然消失，这叫做“消踪”，当木卫一蚀结束时，木卫一会忽然出现，这叫做“现踪”。当时的人们已经计算出了木卫一的公转周期，它每隔42.5小时就绕木星一周，每次都会出现一次木卫一蚀。

^{罗默绘制的示意图，其中A为太阳，B为木星，小圆是木卫一的轨道。当木卫一位于CD阴影之间时，发生木卫一蚀（wikipedia）}

罗默认为，虽然木卫一蚀的周期恒定，但由于地球与木星距离的改变，观测到木卫一蚀的时间也会有所改变。简单地说，当地球在公转轨道上靠近木星的位置上时，会更早地看见木卫一现踪，而当地球移动到离木星较远的位置上时，光行进到地球所需的时间就会变长，那么木卫一现踪的时间就会推迟。这个时间差足够大，比起伽利略的灯笼实验，可观测性要大多了。

^{大圆是地球的公转轨道。当地球所处位置不同（如于L、K点）时，观察到的木卫一现踪时间不同（wikipedia）}

罗默花了十几年时间来观测木卫一蚀，他只凭借着望远镜、手表，记录一年之中不同日子里木卫一蚀的时间差，再计算这些时刻地球位置的改变，便得到了非凡的结果：他预言，1676年11月9日上午5点25分45秒发生的木卫一现踪将推迟10分钟。巴黎天文台的其他同事怀着将信将疑的态度，观测并验证了他的预言。罗默还推算出光速大约为220000千米/秒。

^{太阳系示意图，红色为木星公转轨迹，蓝色为地球公转轨迹（动图）（wikipedia）}

这个数值和今天我们知道的光速（约299792千米/秒）相差甚远，但已经是一个非常了不起的结果。要知道，当时人们连太阳离地球有多远都不知道。而且，罗默光速的误差，更多的要归咎于当时计算水平的不足，他的方法是非常准确的。现代的科学家按照罗默的方法进行计算校正后，可以得到非常接近现代光速的数值298000千米/秒。

8公里外的反光镜

罗默过后的科学界一片沉寂，花了差不多两百年，才出现了愿意投身测量光速的新人。1849年，法国物理学家阿曼达·斐索（Armand Fizeau）首次在地球上测量出了光的速度。

^{阿曼达·斐索（wikipedia）}

他使用了光源、旋转的遮板和一个固定在大约8公里开外的反光镜，方法原理与伽利略的大致相同，并不难理解。当光源发出的光线由转动遮板的齿轮空隙射至远方的反光镜被折返回来时，只有在适当的转速下才能再次穿过遮板的齿轮空隙从而被观测到。

^{斐索测量光速的示意图（wikipedia）}

斐索使用了一个拥有720个齿轮的遮板，旋转的速度为12.67转/时，通过这种方法，斐索算得光速是315000千米/米，之所以和目前的光速有着一定差距，是因为遮板齿轮拥有一定的宽度，因此限制了测算的精确度。

1862年，法国物理学家莱昂·傅科（Léon Foucault）在斐索的实验基础上进行改良，将旋转的遮板换成了旋转的平面镜，光在远方折返回来后打在旋转镜上，只要知道平面镜的旋转速度、光束最后被平面镜反射出去的角度，就可以计算出光的速度。经过多次测算，傅科的光速刷新了历史，精确到了298000千米/秒，离如今的约299792千米/秒已经非常接近。

^{傅科实验的示意图（物理网）}

用光重新定义米

我们刚刚介绍到的测量方法，都是基于“距离-时间-速度”的公式计算的。想要提高精确度，唯一的方法就是拉长测算的距离。1926年，一个叫麦尔克逊的美国人将反射镜间的距离提高到了35公里，测得光速为299796千米/秒。这是当时最精确的数值，但很快人们就发现，想要计算最精确的数字，靠原始的光学法是行不通的。

从20世纪初开始，科学家们开始试着用电子学的方法测量光速。这也标志着，光速的测定从遥远的天上、田野里转移回了实验室中，科学家们埋头在微小的电路板间、精巧的光电器械中苦修。1972年，美国国家标准技术研究所的科学家们利用激光干涉法测量光速，得到了299792456±1.1米/秒的数值。

激光干涉法是什么意思呢？简单地说，一束频率已知的激光被分开成两半，行走不同的路径，之后再被汇合起来。科学家们在观察干涉图样的同时调整路径的长度，就可以计算出精确的波长、从而计算光速。

^{一束左侧射入的紫光被分开成红蓝二光，之后将它们汇合。调整路径的长度将形成不同的汇合图样（wikipedia）}

这个数值有多么精确呢？事实上，它唯一的不确定性主要来自于“米”定义的不确定性。也就是说，错的不是光速，而是米。为了解决这个问题，1983年，在第17届国际度量衡大会上，人们重新定义了“米”，从那以后，1米就是光在真空环境下1/299792458秒内通过的长度。这个决定彻底解决了光速测量的问题，给这段长达300 年的物理学史画上了圆满的句号。