跟著科學家去追光

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，你該如何應對呢？

別急，這項任務本來就不簡單。在人類發展史上，有很多科學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，古代的學者們認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，伽利略才提出了不同的觀點。他認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。根據實驗的設想，當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，現在的我們已經知道，光只需要一秒，就可以環繞地球赤道7 圈半，而在當時，以人的反應速度和測量設備根本無法得出準確的數據。“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

科學家們意識到，光速這么快，用傳統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。

當時的天文學家已經知道，每當木星的衛星之一“木衛一”繞木星一周，就會在進入木星的影子處發生一次“木衛一蝕”，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一附近，把它遮住了。丹麥天文學家羅默決定利用這個天文現象來測量光速。1676 年，羅默對“木衛一”進行了長期的觀測。他發現“木衛一蝕”的發生時間與地球和木星的距離有關：當地球靠近木星時，提前發生；當地球遠離木星時，延后發生。實際看到“木衛一蝕”的時間通常比推算的時間要晚十幾分鐘。

羅默預言：在1676 年11 月9 日上午5 時25 分發生的“木衛一蝕”將推遲10 分鐘。最終，觀測結果證實了他的預言。他還推斷，這是因為光需要花費一定時間才能從木衛一傳播到地球上的觀察者眼中。他據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可和支持。借鑒這個方法，牛頓還測量出光從太陽發射到地球需要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，英國物理學家布拉德雷通過觀察恒星位置隨季節變化而產生的微小擺動現象，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 萬公里已經是光速的一個較為精確的數據，但科學家們對于光速的測量沒有停止。

18 世紀，法國物理學家阿曼德·斐索發明了齒輪旋轉法來測量光速。他利用旋轉的齒輪和鏡子來打斷和反射一束光，并根據光在不同位置出現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之舉。

19 世紀末，美國物理學家邁克爾遜與莫雷合作，他們試圖找到光是靠什么介質來傳播的，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法，獲得光速值為每秒299853±30 公里。這是當時最精確的紀錄。

至此，光速的測量告一段落。

LINK

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

光速，已是定義

進入20 世紀后，隨著雷達和激光等技術的發展，人類對于光速有了非常精確的測量結果。光速，最終也成為物理學的一個定義值。

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 秒內的距離定義為1 米。這樣，就把米與真空中的光速c 聯系在了一起，使得1 米成為一個精確的常數，不再需要測量。

于是，光速c =299792458m/s。怎么樣，你記住了嗎？