追光之旅跨越四百年

本文转自：解放军报

光速测定——

追光之旅跨越四百年

■杨晓薇 李 芮

开栏的话

科学是一种在历史上起推动作用的、革命的力量。古往今来，科技进步深刻改变着人类生产生活方式，也深刻影响着世界军事发展走向。而一个个关于科学起源、发展和成就的故事，本身就是一次次曲折且又瑰丽的远征，启迪和激励着后人不断攀登新的科学高峰。

即日起，本版开设“科学的历程”专栏，挖掘出现在我们日常生活中那些熟悉的科学术语，了解它们背后的精彩瞬间。

人们普遍认为，真理是客观的、有条件的，具有相对性。然而，在物理学上，仍然有很多我们目前无法打破的铁律。比如说，在宇宙中，任何东西的速度都无法超越真空中的光速，即299792.458千米/秒（一般取300000千米/秒）。

光速真的是不可超越吗？这个速度又是怎么来的呢？今天，我们就来聊一下光速的测量历程。

最初，在人类的认知里，光速是无限的。简单来说，光会在一瞬间完成传播。例如，人们在打开灯的瞬间能够同时看清眼前的所有东西，不存在先看到什么后看到什么的顺序问题。数学家笛卡儿同样主张光速无限，但他在推导光的折射公式时发现：“我必须假设光在两种介质中的传播速度不一样才能继续推导”。在这里隐含的思维就是：光速是有限的。那么光速到底是多少？人类又要如何测量光速？这一系列问题引发了众多物理学家的思考。

伽利略一直支持光速有限的观点。他一直践行用实验来验证理论，1607年，进行了人类首次光速测量实验。伽利略找了两个距离较远的山头，然后让两个助手各执一盏灯，通过开关灯并互相记录时间，运用距离与时间之比可求出光速。但是由于光速太快了，即使是拉长两者的距离、两人使用望远镜记录实验，这种方法也是行不通的。伽利略的实验虽然失败了，但是他对于光速测量的原理却是正确的。

时间来到1676年。天文学家罗默多年来定期观察卫星运动，他发现木星的卫星一发生卫星蚀（原理与月蚀相同）的时间间隔并不一样。罗默通过观察发现，其根本原因在于地球和木星之间距离的变化导致光从木卫一传到地球的时间有差异，这一发现为“光速有限”提供了证据。基于这些观察，罗默给出了自己的答案：光速大约为210000千米/秒。考虑到当时的测量条件，这个速度已经相对接近现代的光速了。

1728年，天文学家布拉德雷长期观测部分恒星的方位。他在对这些恒星一年内的位置进行折算时发现，恒星的运行轨迹都是呈椭圆形的。从地球上看这些椭圆形轨迹的长轴，均对地球有一定张角。难道恒星的位置不固定吗？这个问题一直困惑着他，直到某次布拉德雷乘船航行时，从风向和船航向之间的相对关系得到启发，领悟到这一现象是由于地球绕太阳公转以及光的传播速度有限共同引起的。利用他发现的光性差的原理，布拉德雷测得光速为301000千米/秒。

时间来到19世纪50年代，人类对于光速的测量再次从天体进入地面。伽利略失败的实验，让一些科学家把测量实验重点放在提高微小时间间隔的测量精度上。

1849年，物理学家菲佐选择旋转齿轮法测量光速。简单来讲，旋转齿轮法就是当一束光穿过齿轮的一个齿缝射到一面镜子上，必然会被反射回来。如果齿轮静止，那么反射回来的光将原路返回，通过齿缝就会被观测者看到。如果齿轮转动的足够快，那么光速便可得到测量。最终，菲佐求得光速为313300千米/秒，他也成为地面上用实验方法测得光速的第一人。

物理学家傅科用旋转的镜子代替菲佐使用的齿轮，物理学家迈克尔逊又用旋转棱镜代替傅科使用的单一平面镜。在一次次对仪器的改进中，对光速的测量也越来越精确。

随着人类对光波动性的深入探索，还有一些科学家逐步开始利用光的波动特征来测量光速。

1972年，埃文森等人开始使用激光法测量光速。简单来说，就是同时测量激光的波长和频率，根据波长、频率和波速之间的关系来确定光速。以往测量光速的实验出于增大光行进路程的目的，通常选择野外相距较远的两地开展。激光法测光速则不需要物理学家奔波在野外。而且随着现代技术的发展，对激光频率和波长的测量精确度大幅度提升，使用此方法测量的光速精度也比以往实验大幅提高。

至此，经过好几代物理学家的努力，光速已经成为最精确的基本常数之一。1975年，第15届国际计量大会做出决定，将真空中光速定为准确值299792.458千米/秒。1983年第17届国际计量大会上作出决定，将光在真空中1/299792458秒内走过的路程长度作为“米”的定义。换言之，从1983年开始，如果我们继续精确光速值，改变的将会是米的长度，或者说成改变的是你的身高。

回顾光速测量的历程可以发现，人类测量光速方法的改进，不仅提高了光速的准确度，还彰显出近现代物理实验测量的惊人发展。同时，光速的测量，对光学乃至物理学史的发展也发挥了重要作用。首先，光速的测量，对光的微粒说和波动说作出了辅助判决。傅科曾用旋转镜法比较了水中和空气中的光速，实验结果显示，水中的光速比空气中的光速慢，这正是惠更斯根据光的波动学说所作出的预见。其次，光速的测量，帮助麦克斯韦说明光就是一种电磁波，麦克斯韦在研究电磁理论时推出的电磁波速度大小正是光速大小成了最有力的证据。最后，不得不提爱因斯坦与光速的缘分，爱因斯坦狭义相对论中的光速不变原理正是说明真空中的光速是个恒量，它与惯性参考系的运动状态并没有关系。

上图：菲佐采用旋转齿轮法测量光速。资料图片