光速，目前所發(fā)現(xiàn)的自然界中所有運動物體的速度極限，教科書上的299792458m/s（真空中的光速），從遠古的光速無限大到這一精確的數(shù)值，人類對光速的測量經(jīng)歷了漫長的上百年的時間，這一過程是人類智力發(fā)展和科技進步的漫長過程。

電燈接通電源就能照亮整個房屋，或許基于同樣的觀測，在17世紀(jì)之前的很長時間里，人們習(xí)慣性地根據(jù)生活中的經(jīng)驗認(rèn)為光速是無限大的。直到17世紀(jì)光的傳播定律的發(fā)現(xiàn)，人們才真正意義上開始嘗試對光的速度進行測量。

伽利略是有確切史料證明的光速測量史上的偉大的先驅(qū)人物。1638年，伽利略嘗試測量燈光在空氣中的傳播速度，這個實驗是這樣的：讓兩個人站在一起或者相隔一英里，其中一個點亮手中的燈，另外一個記錄看到燈光的時間，如果能夠發(fā)現(xiàn)時間差，就能證明光是有速度的。毫無疑問，這樣的實驗是不會取得任何結(jié)果的。

盡管伽利略的實驗是失敗的，但他對天體的觀測，尤其是對木星的衛(wèi)星的觀測給后世的研究者研究光速問題提供了極大的啟發(fā)，當(dāng)木星的衛(wèi)星運行到木星背面可以對木星的黃經(jīng)進行測量。大約在同時，意大利人卡西尼也開始對木星進行長期研究。

大約在17世紀(jì)的70年代，來自丹麥的勒麥和來自巴黎的讓·皮卡特從木衛(wèi)食中窺探出一絲端倪：在一年的時間內(nèi)，木星的衛(wèi)星在各自的軌道上運行的時間是不同的，當(dāng)木星和地球之間的距離變大時，運轉(zhuǎn)時間大于平均值。勒麥認(rèn)為實際的運動導(dǎo)致這種不均勻性的可能性非常小，堅信光的傳播具有一定的速度。勒麥向法國科學(xué)院解釋了他的理論并且計算出光穿過地球的時間大約為22分鐘，當(dāng)然，今天用準(zhǔn)確的光速計算得到的結(jié)果為16分36秒。勒麥的光速測定法的基本原理如下圖所示，地球從L轉(zhuǎn)動到K時，第一個木衛(wèi)食出現(xiàn)的時間比從平均運轉(zhuǎn)周期中計算出的時間遲幾分鐘，勒麥認(rèn)為這是由于額外增加的行程多費了時間；當(dāng)?shù)厍驈腇運轉(zhuǎn)到G時，木衛(wèi)食出現(xiàn)的時間比平均值要小，勒麥認(rèn)為這是由于光線少走的行程引起的。

盡管法國科學(xué)院沒有立刻接受勒麥的理論，讓·皮卡特和卡西尼對這一理論的接受態(tài)度截然相反，但勒麥的名聲得到極大的提高，可惜他關(guān)于天文觀測的資料在一場大火中毀于一旦。

東方不亮西方亮，盡管勒麥的理論在法國沒有得到足夠的重視，但在英國卻得到了哈雷和布拉德雷的熱情支持。天文學(xué)教授布拉德雷在測量星體的視差時，偶然間打開了光速測量的希望之門。布拉德雷意識到，當(dāng)光的傳播跟地球在它的軌道上的前進相結(jié)合，光的傳播每年產(chǎn)生一度的方向變化，天體的變化在這種方向上依賴光和地球的速度之比而被人觀察記錄到。布拉德雷利用這種光行差計算得到太陽光到達地球的時間約為8分13秒，比勒麥測定的11分鐘更接近正確值。用牛頓對的微粒說可以很容易地解釋光行差：光粒子像雨滴那樣落下時，當(dāng)望遠鏡隨著地球的運動向前運動時，光的粒子就進入向前傾斜的望遠鏡鏡筒內(nèi)。

時間到了19世紀(jì)，牛頓的微粒說逐漸被年輕的研究人員和學(xué)者所拋棄，光速的測量也進化到一個新的階段。惠斯通早在1834年就曾經(jīng)用旋轉(zhuǎn)鏡測量電火花的持續(xù)時間，這種方法給光速的測量提供了新的方法?；谶@樣的思考，阿拉哥計劃用旋轉(zhuǎn)鏡測量光速，然而這樣的旋轉(zhuǎn)鏡理論上需要實現(xiàn)每秒1000多次的轉(zhuǎn)動，這樣的技術(shù)要求對當(dāng)時的機械時十分困難的。

年老的阿拉哥視力較差，這樣工作只能由更年輕的人來完成，法國物理學(xué)家阿曼達·菲索和萊昂·傅科就是其中的佼佼者。1849年，菲索利用光源照射到距離8633米的反光鏡上，光線經(jīng)過720個規(guī)則擋光齒輪旋轉(zhuǎn)遮光，通過計算遮光的次數(shù)得到1秒鐘內(nèi)光行進的距離。每秒31.5萬公里，這已經(jīng)與現(xiàn)在的數(shù)值相當(dāng)接近了，毫無疑問齒輪的遮光寬度影響了測量的精度，但這種方法仍然可以看作伽利略方法的延續(xù)。

傅科在索菲的基礎(chǔ)上，將遮光板換成了平面鏡，通過轉(zhuǎn)動平面鏡代替遮光板。鏡子以一定的速度轉(zhuǎn)動，使它在光線發(fā)出并且從一面靜止的鏡子反射回來的這段時間里，剛好旋轉(zhuǎn)一圈，這樣能夠準(zhǔn)確地測得光線來回所用的時間，就可以算出光的速度。經(jīng)過多次實驗，傅科測得的光速平均值為每秒鐘29.8萬。傅科還在整個裝置充入了水，測定了光在水中的速度，正好等于水和空氣的折射率之比。在這之后，巴黎的科爾紐、英國的詹姆斯·楊和喬治·福布斯對光速的測量方法進行了一系列的改進和應(yīng)用。其中科爾紐在1874年把反射鏡安裝在彼此相距23公里的地方，詹姆斯·楊和喬治·福布斯的測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)藍光的速度比紅光快1.8%。

光速的最精確測量是在美國完成的。1867年，海軍天文臺的紐科姆建議重做傅科的實驗并獲得了太陽視差的更為接近的數(shù)值。邁克爾遜在1878年和1879年于安納波利斯海軍學(xué)院的實驗室做了初步的實驗。1882年邁克爾遜在紐科姆的請求下又在俄亥俄州的克利夫蘭的凱斯學(xué)院重新做了實驗，邁克爾遜使用八角形轉(zhuǎn)動鏡免除了反射光線的角度偏差，測得的光速更加精確，更加接近我們現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

隨著時間進入20世紀(jì)，電子設(shè)備代替了原先的機械設(shè)備，測量設(shè)備的電子化能夠進一步提高測量精度。1972年美國科學(xué)家利用激光干涉測量法獲得了最精確的光速：一束頻率已知的激光經(jīng)過分光后通過不同的傳播路徑后再次匯合干涉，在觀察干涉圖樣的同時，調(diào)整路徑的長度，就可以計算出精確的波長，從而得到光速，測量得到的光速為299792458m/s，這是科學(xué)測算出來最精確的光速數(shù)值了。由此產(chǎn)生的改變是標(biāo)準(zhǔn)計量單位“米”的改變，在1983年第17屆國際計量大會上，一個標(biāo)準(zhǔn)米被重新定義為“光在真空環(huán)境下1/299792458秒內(nèi)通過的長度”。
責(zé)任編輯:pj