如何测量光速

赵桂红

千百年来，很多科学家前仆后继，探索光的奥秘。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，促进了物理学的发展。

伽利略的两个灯笼

早在17世纪初，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。他找来两个人和两盏灯笼，让他们分别站在两座相距1英里（约等于1.6千米）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（约等于3.2千米）所需要的时间，从而求出光的速度。灯笼实验的示意图如图1所示，稍微一想便知道，这个实验的误差太大，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。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微秒，这是不可能被人察觉到的。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。

奥勒·罗默的太阳系沙盘

丹麦天文学家奥勒·罗默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，及它们与太阳及地球的位置关系估算出光速的。木星有四个卫星，其中距离木星最靠近的卫星一号（木卫一）在围绕木星旋转的某些时刻，会藏到木星的背后，这个现象被称为木卫一蚀。当时的人们已经计算出了木卫一每隔42.5小时就绕木星一周，每次都会出现一次木卫一蚀。

罗默绘制的示意图如图2所示，其中A为太阳，B为木星，小圆是木卫一的轨道。当木卫一位于阴影CD之间时，发生木卫一蚀。大圆是地球的公转轨道。罗默认为，虽然木卫一蚀的周期恒定，但当地球处于不同位置（如L、K点）时，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出现，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，那么木卫一出现的时间就会推迟。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。

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，推算出光速大约为220000千米/秒。这个数值和今天我们知道的光速相差甚远，但已经是一个非常了不起的结果。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。

8千米外的反光镜

罗默过后的科学界一片沉寂，过了差不多两百年，1849年，法国物理学家阿曼达·斐索首次在地球上测量出了光的速度。他使用了光源、旋转的遮板和一个固定在大约8千米开外的反光镜，方法原理与伽利略的大致相同（如图3所示），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，只有在适当的齿轮转速下才能再次穿过遮板的齿轮空隙从而被观测到。

通过这种方法，斐索算得光速是315000千米/秒，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，傅科算得的光速刷新了历史，精确到了298000千米/秒，离如今的约299792千米/秒已经非常接近。

用光重新定义米

我们刚刚介绍的测量方法，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35千米，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，想要算得更精确的数值，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。

这个数值有多精确呢？事实上，它唯一的不确定性主要来自单位米定義的不确定性。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，人们重新定义了单位米，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。