光速那么快，究竟是怎么測(cè)出來(lái)的？

真空中的光速可以說是自然界里物體運(yùn)動(dòng)的最大速度了。目前科學(xué)界公認(rèn)的光的速度是299792.458km/s，也就是在一秒的時(shí)間里，光可以跑299792.458千米那么遠(yuǎn)，約等于繞地球赤道7.48圈。

既然光“跑”得這么快，那科學(xué)家們又是怎么得到如此精確的數(shù)字的呢？光速究竟是怎么測(cè)出來(lái)的呢？

伽利略——意識(shí)到光有速度第一人

17世紀(jì)以前，人們一直以為光的速度是無(wú)限的，開普勒和笛卡爾都對(duì)此深信不疑。但伽利略卻提出了不同的觀點(diǎn)，他認(rèn)為，光的速度雖然很快，但仍是有限的，并且是可以測(cè)量出來(lái)的。

為了證實(shí)自己的猜想，1607年，伽利略設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)。他讓A、B兩個(gè)人分別站在相距1.5千米的兩座山的山頂，想利用兩個(gè)山頭看到燈光的時(shí)間差來(lái)測(cè)算光速。但由于間隔的時(shí)間太短了，根本無(wú)法精確測(cè)出。最終，伽利略的實(shí)驗(yàn)以失敗告終，但他卻開啟了人類測(cè)量光速的真理之門。

羅默——天文法測(cè)量第一人

木星的公轉(zhuǎn)周期為12年，每當(dāng)木星的衛(wèi)星繞木星一周，就會(huì)在進(jìn)入木星影子處發(fā)生一次“蝕”。這類似于月蝕，當(dāng)木星運(yùn)行到衛(wèi)星和太陽(yáng)中間時(shí)，木星的“衛(wèi)星蝕”就會(huì)發(fā)生。

但事實(shí)上，人們看到衛(wèi)星蝕的時(shí)間是不斷發(fā)生變化。這顯然說明，地球和木星的位置在不斷變化，地球和木星的距離也不是一個(gè)定值，不僅如此，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)還與光的速度有關(guān)。

1676年，丹麥天文學(xué)家羅默對(duì)木星的這顆衛(wèi)星進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè)。他發(fā)現(xiàn)，實(shí)際看到衛(wèi)星蝕的時(shí)間都比推算的時(shí)間要晚了十幾分鐘。他認(rèn)為，這是因?yàn)榈厍蚺c木星的距離在逐漸增大，所以光傳到地球的時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)了。因此，羅默推斷，光的速度是有限的。他還算出，光走過與地球軌道半徑等長(zhǎng)的距離所需的時(shí)間為11分鐘。

羅默預(yù)言，原本應(yīng)在1676年11月9日上午5時(shí)25分45秒發(fā)生的木衛(wèi)蝕將推遲10分鐘。最終的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了羅默的猜想。而后，又經(jīng)過多番驗(yàn)證和矯正，著名科學(xué)家惠更斯利用羅默的理論，計(jì)算出了科學(xué)史上的第一個(gè)光速值：214000km/s。

斐索——地面實(shí)驗(yàn)的探索者

第一個(gè)在地面上測(cè)出光速的人是法國(guó)物理學(xué)家斐索。他設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的裝置——旋轉(zhuǎn)齒輪，以此來(lái)測(cè)定光的速度。

“旋轉(zhuǎn)齒輪”由一個(gè)齒輪、一面鏡子和一面半透明鏡組成。光源發(fā)出后，會(huì)經(jīng)半透明鏡反射到鏡子上，而鏡子又會(huì)再將光反射進(jìn)觀測(cè)者的眼睛中。這中間，有一個(gè)齒輪，當(dāng)它開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)將反射到人眼中的光切割成一段一段，人們因此會(huì)看到閃光。通過齒輪的轉(zhuǎn)速和光的路程，就可以計(jì)算出每次閃光的速度。這種方法雖然存在不足，但卻是光速測(cè)量史上的開創(chuàng)之舉，為后來(lái)的測(cè)量工作奠定了基礎(chǔ)。

邁克爾遜——光速測(cè)量的集大成者

邁克爾遜從1879年開始就在從事光速的測(cè)量研究，直至1926年，持續(xù)了大約50年。他總結(jié)了前人的不足，設(shè)計(jì)出“旋轉(zhuǎn)八面棱鏡法”來(lái)測(cè)量光速。

在“旋轉(zhuǎn)八面棱鏡法”中，邁克爾遜用一個(gè)正八面鋼制棱鏡代替了旋轉(zhuǎn)鏡法中的旋轉(zhuǎn)平面鏡，從而延長(zhǎng)了光的路線；用精確測(cè)定的棱鏡轉(zhuǎn)速代替了齒輪法中的齒輪轉(zhuǎn)速，從而減小了時(shí)間測(cè)量的誤差。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，邁克爾遜計(jì)算出光的速度是299796km/s，這在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是最精確的記錄，而邁克爾遜也因此成為了1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者。

光速測(cè)量新時(shí)期

自從邁克爾遜之后，光速長(zhǎng)達(dá)250多年的測(cè)量探索暫時(shí)告一段落。直至1929年，對(duì)光速的測(cè)量進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法層出不窮，光速也越來(lái)越精密，最終成為物理學(xué)界的一個(gè)定義值。

?1937年和1941年，美國(guó)的安德生先后兩次測(cè)量光速，最后利用克爾效應(yīng)測(cè)出光速為299776km/s。

?1949年，阿斯拉克遜用雷達(dá)測(cè)量電磁波的速度，其結(jié)果為299792km/s。

?1952年，英國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家弗羅姆用微波干涉儀測(cè)量光速，具有極高的精密度。用這種方法測(cè)得的光速為299792km/s。

?1960年，激光應(yīng)運(yùn)而生。

?1972年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局埃文森等人用測(cè)量激光頻率和真空中光的波長(zhǎng)的方法，測(cè)得光速為299792.458km/s。而這一數(shù)值也最終在1973年召開的第五屆米定義咨詢委員會(huì)和1975年召開的第十五屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)被作為國(guó)際推薦值使用。

光速經(jīng)歷了300多年的測(cè)量之旅，終于有了定論。在探究過程中，科學(xué)家將理論與實(shí)踐、計(jì)算與測(cè)量完美結(jié)合，最終獲得了精準(zhǔn)的光速數(shù)值。

光速的確定，不僅影響了單位“米”的定義，更是對(duì)進(jìn)一步的研究提供了幫助。像光速、“米”這樣的標(biāo)準(zhǔn)單位看似平淡無(wú)奇，但它們卻見證了人類文明的進(jìn)步?？茖W(xué)無(wú)所限，人類探索世界的旅程，才剛剛開始。