要有光：人類是怎麼測量光速的？

知識 06-29

光是萬物之源。光合作用造就了地球上的生命，而光和火則推進了人類文明的進程。千百年來，無數人前仆後繼，希望能從科學的角度上解讀光。其中，對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，讓人們得以窺探到光的本質，推進了物理學的發展。

光伴隨人類發展（wordpress）

伽利略的兩個燈籠

一直到17世紀，對於光是否擁有速度這一問題，科學界都還沒有定論。早在公元前4世紀，就有人提出，光是一種運動，必須花費一些時間來行進，因此，光是具有速度的。這個說法被很多鼎鼎有名的人包括亞里士多德、開普勒、笛卡爾所反對，他們認為，光的傳播是瞬間完成的，不需要時間。

在科學界，打嘴仗是沒有用的，只有實驗才能終結爭論。早在1638年之前，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。他的實驗計劃非常簡單：找來兩個人和兩盞燈籠，讓他們分別站在兩座相距一英里的山頂上。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所需要的時間，從而求出光的速度。

燈籠實驗的示意圖（hamamatsu）

稍微一想便知道，這個實驗的誤差太大，絕對不可能成功。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。他沒有猜錯：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微妙，這是不可能被人所察覺的。

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。作為科學界的紅人，伽利略也引領時尚，為這個物理問題帶來了不少關注。

伽利略（wikipedia）

太陽系是他的沙盤

在巴黎天文台就職的丹麥天文學家奧勒·羅默（Ole R?mer）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、與太陽及地球的位置關係估算出光速的。

羅默（sciencefigure）

奇妙的是，追溯起來，羅默的推算，還要感謝伽利略。

為了紀念伽利略，NASA的木星探測器「朱諾號」帶上了義大利提供的伽利略鋁質紀念牌，上面鐫刻有伽利略自畫像和他於1610年發現木星衛星的親筆記錄（wikipedia）

1610年，伽利略通過望遠鏡發現木星周圍的四個天體，並觀測到它們會忽然消失，據此，他推斷這四個天體是木星的衛星，在圍繞木星旋轉的某些時刻，它們會藏到木星的背後。這是伽利略推翻「日心說」的有力證據，這個現象也被稱為「行星掩星」，而其中最靠近木星的衛星一號（木衛一）的此種現象，被稱為「木衛一蝕」。

「木衛一蝕」就是羅默計算光速的關鍵。當木衛一繞到木星背後的時候，它會在望遠鏡的視野中忽然消失，這叫做「消蹤」，當木衛一蝕結束時，木衛一會忽然出現，這叫做「現蹤」。當時的人們已經計算出了木衛一的公轉周期，它每隔42.5小時就繞木星一周，每次都會出現一次木衛一蝕。

羅默繪製的示意圖，其中A為太陽，B為木星，小圓是木衛一的軌道。當木衛一位於CD陰影之間時，發生木衛一蝕（wikipedia）

羅默認為，雖然木衛一蝕的周期恆定，但由於地球與木星距離的改變，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現蹤，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，那麼木衛一現蹤的時間就會推遲。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。

大圓是地球的公轉軌道。當地球所處位置不同（如於L、K點）時，觀察到的木衛一現蹤時間不同（wikipedia）

羅默花了十幾年時間來觀測木衛一蝕，他只憑藉著望遠鏡、手錶，記錄一年之中不同日子裡木衛一蝕的時間差，再計算這些時刻地球位置的改變，便得到了非凡的結果：他預言，1676年11月9日上午5點25分45秒發生的木衛一現蹤將推遲10分鐘。巴黎天文台的其他同事懷著將信將疑的態度，觀測並驗證了他的預言。羅默還推算出光速大約為220000千米/秒。

太陽系示意圖，紅色為木星公轉軌跡，藍色為地球公轉軌跡（動圖）（wikipedia）

這個數值和今天我們知道的光速（約299792千米/秒）相差甚遠，但已經是一個非常了不起的結果。要知道，當時人們連太陽離地球有多遠都不知道。而且，羅默光速的誤差，更多的要歸咎於當時計算水平的不足，他的方法是非常準確的。現代的科學家按照羅默的方法進行計算校正後，可以得到非常接近現代光速的數值298000千米/秒。

8公里外的反光鏡

羅默過後的科學界一片沉寂，花了差不多兩百年，才出現了願意投身測量光速的新人。1849年，法國物理學家阿曼達·斐索（Armand Fizeau）首次在地球上測量出了光的速度。

阿曼達·斐索（wikipedia）

他使用了光源、旋轉的遮板和一個固定在大約8公里開外的反光鏡，方法原理與伽利略的大致相同，並不難理解。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，只有在適當的轉速下才能再次穿過遮板的齒輪空隙從而被觀測到。

斐索測量光速的示意圖（wikipedia）

斐索使用了一個擁有720個齒輪的遮板，旋轉的速度為12.67轉/時，通過這種方法，斐索算得光速是315000千米/米，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（Léon Foucault）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，光在遠方折返回來後打在旋轉鏡上，只要知道平面鏡的旋轉速度、光束最後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。

傅科實驗的示意圖（物理網）

用光重新定義米

我們剛剛介紹到的測量方法，都是基於「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公里，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，想要計算最精確的數字，靠原始的光學法是行不通的。

激光干涉法是什麼意思呢？簡單地說，一束頻率已知的激光被分開成兩半，行走不同的路徑，之後再被匯合起來。科學家們在觀察干涉圖樣的同時調整路徑的長度，就可以計算出精確的波長、從而計算光速。