测定光速_参考网

测定光速

2015-09-10刘声远

大自然探索 2015年5期

刘声远

它是宇宙的速度极限，也是我们借以认识宇宙的一个关键数据。不过，为了确定这个数值，科学家们真是很下了一番功夫。

古希腊数学家欧几里得相信，我们之所以能看见事物，是因为眼睛发出了光线。大英雄亚历山大宣称，因为我们一睁眼就能看见遥远的星星，说明星星发出的光不到眨眼工夫就已进入我们眼中，所以光速必定是无限大的。11世纪，巴士拉数学家艾尔哈赞发表了自己的《光学专著》，其重要性堪比牛顿的《数学原理》。艾尔哈赞在这本书中称，取决于光所穿越的介质的不同，光的速度也不同，并且光速是有限的。光在空气中穿越的速度，大于它穿越水和玻璃的速度。

人类对光的认识不断增长。13世纪，英国人罗杰·培根利用艾尔哈赞有关光的理论来支持这样一个理论：光速很快，比音速还快，但并非无限大。当时还有一种观点：光在空旷太空中的穿行速度可能是无限大的，但是在介质中光速会减缓。到了17世纪，像德国科学家开普勒和法国哲学家德斯卡特斯之类的科学名人，坚持认为光速无限大。开普勒指出，实际情况必定如此，因为空旷的太空不会阻拦光的穿越。德斯卡特斯的结论则是基于实际观测：如果光的穿行速度是有限的，那么在一次月食期间，太阳、地球和月球就不会排成一线，但实际情况相反，反过来就证明了光速是无限的。

也正是到了这个时候，人们首次尝试对光速进行直接测量。1629年，荷兰哲学家伊萨克·比克曼提议进行一项实验：在大约1600米外用镜子反射炮弹闪光，测量光反射回来所花的时间。科学家伽利略则独立提议了一个类似的实验：让他的学生把一盏点亮的灯笼带到大约1600米外，测量灯笼亮光到达观测点所经过的时间。这两项实验都未能检测到任何迟延，从而证实了一种看似正确的偏见：光速的确是无限快的。

凭借我们今天对光速的认识，我们知道在上述两项实验中光的往返时间只有大约十万分之一秒。这低于人体最快的反应时间，所以观测者测量不到任何迟延。与之对比，行星之间的距离如此之大，以至于光在两颗行星之间的旅行要花好几分钟时间。为了测量光速，根本要求是找到某种合适的参照物。

在巴黎，乔万尼·卡西尼一直在观测木星的卫星（简称木卫），它们都在各自轨道中一会儿消失于木星背后，一会儿又重新出现在木星前方。他的测量结果有差异，他把这归因于光速是有限的。丹麦天文学家奥勒·罗默随即也投身于此。他在1676年注意到，依娥（木卫一，也是最靠近木星的卫星）重新出现在木星前方所花的时间，在地球靠近木星期间少于地球离开木星期间（地球与木星之间存在相对接近和相对远离的运动）。这证实了卡西尼的猜测——当地球向木星靠近时，地球与木星之间的距离越来越近，光线穿越的距离也越来越短，因此到达的时间也相对早。相反，在地球离开木星的过程中，光线穿越的距离增加，到达得也相对晚。罗默的测量以及他对地球运动相关性的发现，使得他被认可为光速有限的证明者。1690年，荷兰数学家克里斯蒂安·惠更斯使用罗默的估计值，算出的光速是大约每秒22万千米，即为现代这一数值的70%。

测量光速故事的下一步再度涉及天文学，具体而言，是涉及光的像差。什么是光的像差呢？不妨用一个大家熟悉的现象——在雨中移动以保持干燥——来说明。当你静止时，雨滴是垂直下落的（没有风的时候）；而在你往前走时，雨滴却好像是从你前方的某个点落下的，你得把雨伞往前倾斜一点才能不被淋着。现在，把降落的雨想象为来自遥远星球的光线，把你在雨中的移动设想成地球在太空中的运动。那么，由于上述现象即像差的存在，这颗恒星的视位置会不断改变。

1729年，英国皇家天文学家詹姆斯·布兰德利发现了像差现象。他测量了天龙星座的一颗恒星，发现它的视位置首先南移，然后北移，周期为6个月。尽管这一运动的幅度只约为0.01°，但运用18世纪的设备却已经能测到了。布兰德利由此算出，光速约为地球在轨道中速度（即围绕太阳公转的速度）的1.02万倍，即光速大约是每秒29.5万千米。这一数值距离现代光速测定值只有约2%的误差。

为了测定很高的速度，要么需要像天文学中那样的遥远距离，要么需要测量极小时间间隔的能力。1849年，法国物理学家路易·菲佐在后一方面找到了一种在地球上测量光速的方法。他在一只迅速旋转的齿轮的齿缝间发射光线，8000米外的一面镜子把光线反射回来。如果光线通过齿缝，它会被看见；但如果它击中锯齿，它就不会被看见（显示为黑暗）。他改变齿轮转速，由此就能确定光线往返所花时间。由于镜子与齿轮之间的距离是已知的，菲佐得以推算出光速大约为每秒31.3万千米。1862年，法国科学家利昂·傅科运用相似理念，但改用旋转的镜子来测量光线偏转的角度，由此算出的光速是每秒29.9796万千米，与现代光速值——每秒29.9792万千米已经相当接近。

1865年，苏格兰数学家和物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发表了自己对电磁波的研究结果。按照他的理论，光是电场和磁场中的一种波——电磁波。在任何一种电磁波中，一个电场消失，一个磁场出现，反之亦然，不断重复。自由空间对电磁波的阻力，被称为自由空间的介电常数；自由空间对磁场的阻力，则被称为自由空间的导磁常数。在麦克斯韦理论中，光速是与这些数值有关的。电场和磁场来回振荡的容易程度，决定着电磁波穿越的速度。这些数值的乘积，与光速平方成反比。

由此看来，从某种意义上说，开普勒在几百年前的推测是正确的。按照麦克斯韦的理论，如果空间没有任何阻力，光速就确实会是无限大的。但事实上，空间是有阻力的。19世纪末，根据麦克斯韦方程式算出的光速数值是每秒29.9788万千米，与现代光速值——每秒29.9792万千米更加接近了。

1887年，美国人艾伯特·麦克尔森和爱德华·莫里尝试测量地球在“以太”（当时被相信弥漫于所有空间的一种介质）中的穿行速度，方法是测量光在两个垂直方向的速度差。他们使用了半透明镜子，它们能让光偏转90°，却又不受阻碍地继续前行。沿着光的路径反射两根光柱，并且重组它们，任何速度差都会通过两个波的异相而显现——波峰和波谷之间的不匹配会显示为一系列明暗条纹，称为干涉图像。

麦克尔森和莫里的实验装置很灵敏。让他们大吃一惊的是，该装置证明了光速是一致的，不取决于任何方向。接着，这让爱因斯坦确信以太并不存在，或者并不以当时人们相信的形式存在。这还让爱因斯坦在1905年提出了他的狭义相对论。感谢爱因斯坦——对光速的精确测量，让他提出了对时间和空间本质的新见解。

尤其是，爱因斯坦的理论暗示，真空中的光速是自然界的速度极限值：没有哪个有质量的物体能达到真空中的光速，而任何没有质量的微粒在真空中的速度都必定是光速。然而，光在通过一种透明介质（例如水和玻璃）时会减速；有可能让粒子（例如电子）穿越介质的速度快于光穿越介质的速度，但仍然低于光在真空中的速度——光速的绝对极限值。

电磁波的速度与光速符合，这证明可见光、无线电波、X射线及更多的波都是波长和频率不同的电磁波。在激光器发明之前的20世纪50年代，多名科学家使用空腔共振器对电磁波的频率和波长各自进行了测量，得到的波速是每秒29.7992万千米，误差是每秒3千米。我们不妨对此做一种现代版的演示。把一条巧克力放入没有转盘的微波炉中，在微波强度最大的点位，巧克力被加热的速度也最快。两个连续“最热点位”之间距离是微波波长的一半。用微波频率（一般是2450兆赫兹）乘以波长，得到的就是光速——尽管它比20世纪50年代实验室测定的光速还是要慢些。

现代超长距离光速测量涉及发射无线电信号到不同的飞行器，这些飞行器在太阳系中的位置被精确测定，其中要考虑太阳和各行星引力。用这种方法测定的光速准确度，可达一千亿分之二。麦克尔森-莫里技术的现代版本使用的是激光柱，它们的频率已知非常精确。当激光柱被分成两条路径并且重组后，能够解码干涉图像以确定光的波长。波速就是波长和频率的乘积。1972年，这导致光速测量的精确度高于二千五百亿分之一。

今天，使用更先进的高度稳定激光和利用原子钟测量时间间隔，科学家得到的光速测量最精确值是每秒29.979 245 8万千米，不确定值仅为每秒1米。其中，秒可以通过原子钟来精确定义，光速中的不确定性主要是由定义1米的准确度带来的。1983年，科学界同意把光速“固定”在上述值，于是米的定义就是：真空中光在1秒里穿行距离的299 792 458分之一。

在过去的几百年中，物理学家们一直致力于测量光相对于宇宙时空的速度，而今天的科学家则不同，他们是从光速中确定宇宙时空的特性。

一个关键实验

最靠近木星的木卫——依娥（木卫一），每42.5小时环绕木星一周。从地球上看去，依娥周期性地消失于木星背后，稍后又再度出现。科学家相信，交食（指一个天体经过另一个天体前方，将后者部分或完全挡住的现象）之间的时间间隔应该是一样长的。

然而，当乔万尼·卡西尼在1671年观测依娥与木星交食时，发现其时间间隔是变化的。他认识到，这可能是因为光线从木星旅行到地球需要花时间，在此期间地球会运动，所以根据地球是朝着木星而去还是离开木星而去，光线从木星旅行到他的望远镜时所穿越的距离从一次交食到另一次交食是不同的。

奇怪的是，卡西尼看来并不相信自己的直觉，而他的助手奥勒·罗默自己进行了这方面的观测。当罗默把自己的观测与卡西尼的观测合并后，他意识到这些变化与地球和木星的相对运动相关。他进行了很长的一系列观测，证明了自己的猜想，并由此估计光速超过每秒22万千米（而他的同事惠更斯算出的光速也大约是每秒22万千米）。对当时的许多人来说，这么大的数值难以想象，简直堪称无限快。因此，罗默的这一估计在当时并未被普遍接受。一直到英国天文学家詹姆斯·布兰德利通过恒星像差测量光速，罗默的光速理论才终于被认可。