如何測(cè)量光速

趙桂紅

千百年來，很多科學(xué)家前仆后繼，探索光的奧秘。光速的測(cè)定在科學(xué)史上具有非常特殊而重要的意義，它打破了光速無限的傳統(tǒng)觀念，促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展。

伽利略的兩個(gè)燈籠

早在17世紀(jì)初，愛挑戰(zhàn)權(quán)威的伽利略就進(jìn)行了史上第一個(gè)測(cè)定光速的實(shí)驗(yàn)。他找來兩個(gè)人和兩盞燈籠，讓他們分別站在兩座相距1英里（約等于1.6千米）的山頂上。第一個(gè)人舉起燈籠時(shí)便開始計(jì)時(shí)，第二個(gè)人看到第一個(gè)人的燈籠便也立即舉起自己的燈籠，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)人看到第二個(gè)人的燈籠時(shí)便停止計(jì)時(shí)。這樣一來二去就可以得到光行進(jìn)兩英里（約等于3.2千米）所需要的時(shí)間，從而求出光的速度。燈籠實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖1所示，稍微一想便知道，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的誤差太大，不可能成功。伽利略也承認(rèn)，自己的實(shí)驗(yàn)沒辦法給出確切的光速，他只知道，光的速度一定非?？?。如今我們已經(jīng)可以計(jì)算出，光行走兩英里所需要的時(shí)間大約是11微秒，這是不可能被人察覺到的。雖然這個(gè)燈籠實(shí)驗(yàn)質(zhì)樸得有點(diǎn)好笑，但是這個(gè)嘗試卻為光速的測(cè)定開了先河。

奧勒·羅默的太陽系沙盤

丹麥天文學(xué)家奧勒·羅默是世界上第一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量給出光速具體數(shù)值的人。他進(jìn)行推算的沙盤，大到讓人感到不可思議：羅默是靠木星及其衛(wèi)星的移動(dòng)，及它們與太陽及地球的位置關(guān)系估算出光速的。木星有四個(gè)衛(wèi)星，其中距離木星最靠近的衛(wèi)星一號(hào)（木衛(wèi)一）在圍繞木星旋轉(zhuǎn)的某些時(shí)刻，會(huì)藏到木星的背后，這個(gè)現(xiàn)象被稱為木衛(wèi)一蝕。當(dāng)時(shí)的人們已經(jīng)計(jì)算出了木衛(wèi)一每隔42.5小時(shí)就繞木星一周，每次都會(huì)出現(xiàn)一次木衛(wèi)一蝕。

羅默繪制的示意圖如圖2所示，其中A為太陽，B為木星，小圓是木衛(wèi)一的軌道。當(dāng)木衛(wèi)一位于陰影CD之間時(shí)，發(fā)生木衛(wèi)一蝕。大圓是地球的公轉(zhuǎn)軌道。羅默認(rèn)為，雖然木衛(wèi)一蝕的周期恒定，但當(dāng)?shù)厍蛱幱诓煌恢茫ㄈ鏛、K點(diǎn)）時(shí)，觀測(cè)到木衛(wèi)一蝕的時(shí)間也會(huì)有所改變。簡單地說，當(dāng)?shù)厍蛟诠D(zhuǎn)軌道上靠近木星的位置上時(shí)，會(huì)更早地看見木衛(wèi)一出現(xiàn)，而當(dāng)?shù)厍蛞苿?dòng)到離木星較遠(yuǎn)的位置上時(shí)，光行進(jìn)到地球所需的時(shí)間就會(huì)變長，那么木衛(wèi)一出現(xiàn)的時(shí)間就會(huì)推遲。這個(gè)時(shí)間差足夠大，比起伽利略的燈籠實(shí)驗(yàn)，可觀測(cè)性要大多了。

羅默花了十幾年時(shí)間來觀測(cè)木衛(wèi)一蝕，他只憑借著望遠(yuǎn)鏡、手表，記錄一年之中不同日子里木衛(wèi)一蝕的時(shí)間差，再計(jì)算這些時(shí)刻地球位置的改變，推算出光速大約為220000千米/秒。這個(gè)數(shù)值和今天我們知道的光速相差甚遠(yuǎn)，但已經(jīng)是一個(gè)非常了不起的結(jié)果。而且，羅默光速的誤差，更多的要?dú)w咎于當(dāng)時(shí)計(jì)算水平的不足，他的方法是非常準(zhǔn)確的。現(xiàn)代科學(xué)家按照羅默的方法進(jìn)行計(jì)算校正后，可以得到非常接近現(xiàn)代光速的數(shù)值298000千米/秒。

8千米外的反光鏡

羅默過后的科學(xué)界一片沉寂，過了差不多兩百年，1849年，法國物理學(xué)家阿曼達(dá)·斐索首次在地球上測(cè)量出了光的速度。他使用了光源、旋轉(zhuǎn)的遮板和一個(gè)固定在大約8千米開外的反光鏡，方法原理與伽利略的大致相同（如圖3所示），并不難理解。當(dāng)光源發(fā)出的光線由轉(zhuǎn)動(dòng)遮板的齒輪空隙射至遠(yuǎn)方的反光鏡被折返回來時(shí)，只有在適當(dāng)?shù)凝X輪轉(zhuǎn)速下才能再次穿過遮板的齒輪空隙從而被觀測(cè)到。

通過這種方法，斐索算得光速是315000千米/秒，之所以和目前的光速有著一定差距，是因?yàn)檎诎妪X輪擁有一定的寬度，因此限制了測(cè)算的精確度。1862年，法國物理學(xué)家萊昂·傅科在斐索的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，將旋轉(zhuǎn)的遮板換成了旋轉(zhuǎn)的平面鏡，光在遠(yuǎn)方折返回來后打在旋轉(zhuǎn)鏡上，只要知道平面鏡的旋轉(zhuǎn)速度、光束最后被平面鏡反射出去的角度，就可以計(jì)算出光的速度。經(jīng)過多次測(cè)算，傅科算得的光速刷新了歷史，精確到了298000千米/秒，離如今的約299792千米/秒已經(jīng)非常接近。

用光重新定義米

我們剛剛介紹的測(cè)量方法，都是基于“距離-時(shí)間-速度”的公式計(jì)算的。想要提高精確度，唯一的方法就是拉長測(cè)算的距離。1926年，一個(gè)叫麥爾克遜的美國人將反射鏡間的距離提高到了35千米，測(cè)得光速為299796千米/秒。這是當(dāng)時(shí)最精確的數(shù)值，但很快人們就發(fā)現(xiàn)，想要算得更精確的數(shù)值，靠原始的光學(xué)法是行不通的。

從20世紀(jì)初開始，科學(xué)家們開始試著用電子學(xué)的方法測(cè)量光速。這也標(biāo)志著，光速的測(cè)定從遙遠(yuǎn)的天上、田野里轉(zhuǎn)移回了實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家們埋頭在微小的電路板間、精巧的光電器械中苦修。1972年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的科學(xué)家們利用激光干涉法測(cè)量光速，得到了（299792456±1.1）米/秒的數(shù)值。

這個(gè)數(shù)值有多精確呢？事實(shí)上，它唯一的不確定性主要來自單位米定義的不確定性。也就是說，錯(cuò)的不是光速，而是米。為了解決這個(gè)問題，1983年，在第17屆國際度量衡大會(huì)上，人們重新定義了單位米，從那以后，1米就是光在真空環(huán)境下1/299792458秒內(nèi)通過的長度。這個(gè)決定徹底解決了光速測(cè)量的問題，給這段長達(dá)300 年的物理學(xué)史畫上了圓滿的句號(hào)。