如何測量光速

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觀念，促進了物理學的發展。

伽利略的兩個燈籠

早在17世紀初，愛挑戰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，當第一個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，光的速度一定非常快。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。木星有四個衛星，其中距離木星最靠近的衛星一號（木衛一）在圍繞木星旋轉的某些時刻，會藏到木星的背后，這個現象被稱為木衛一蝕。當時的人們已經計算出了木衛一每隔42.5小時就繞木星一周，每次都會出現一次木衛一蝕。

羅默繪制的示意圖如圖2所示，其中A為太陽，B為木星，小圓是木衛一的軌道。當木衛一位于陰影CD之間時，發生木衛一蝕。大圓是地球的公轉軌道。羅默認為，雖然木衛一蝕的周期恒定，但當地球處于不同位置（如L、K點）時，觀測到木衛一蝕的時間也會有所改變。簡單地說，當地球在公轉軌道上靠近木星的位置上時，會更早地看見木衛一出現，而當地球移動到離木星較遠的位置上時，光行進到地球所需的時間就會變長，那么木衛一出現的時間就會推遲。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代光速的數值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，只有在適當的齒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值，但很快人們就發現，想要算得更精確的數值，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/秒的數值。

這個數值有多精確呢？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。