伽利略是有確切史料證明的光速測(cè)量史上的偉大的先驅(qū)人物

光速，目前所發(fā)現(xiàn)的自然界中所有運(yùn)動(dòng)物體的速度極限，教科書(shū)上的299792458m/s（真空中的光速），從遠(yuǎn)古的光速無(wú)限大到這一精確的數(shù)值，人類(lèi)對(duì)光速的測(cè)量經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的上百年的時(shí)間，這一過(guò)程是人類(lèi)智力發(fā)展和科技進(jìn)步的漫長(zhǎng)過(guò)程。

電燈接通電源就能照亮整個(gè)房屋，或許基于同樣的觀(guān)測(cè)，在17世紀(jì)之前的很長(zhǎng)時(shí)間里，人們習(xí)慣性地根據(jù)生活中的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為光速是無(wú)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(kāi)始嘗試對(duì)光的速度進(jìn)行測(cè)量。

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

盡管伽利略的實(shí)驗(yàn)是失敗的，但他對(duì)天體的觀(guān)測(cè)，尤其是對(duì)木星的衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)給后世的研究者研究光速問(wèn)題提供了極大的啟發(fā)，當(dāng)木星的衛(wèi)星運(yùn)行到木星背面可以對(duì)木星的黃經(jīng)進(jìn)行測(cè)量。大約在同時(shí)，意大利人卡西尼也開(kāi)始對(duì)木星進(jìn)行長(zhǎng)期研究。

大約在17世紀(jì)的70年代，來(lái)自丹麥的勒麥和來(lái)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(shí)間內(nèi)，木星的衛(wèi)星在各自的軌道上運(yùn)行的時(shí)間是不同的，當(dāng)木星和地球之間的距離變大時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間大于平均值。勒麥認(rèn)為實(shí)際的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致這種不均勻性的可能性非常小，堅(jiān)信光的傳播具有一定的速度。勒麥向法國(guó)科學(xué)院解釋了他的理論并且計(jì)算出光穿過(guò)地球的時(shí)間大約為22分鐘，當(dāng)然，今天用準(zhǔn)確的光速計(jì)算得到的結(jié)果為16分36秒。勒麥的光速測(cè)定法的基本原理如下圖所示，地球從L轉(zhuǎn)動(dòng)到K時(shí)，第一個(gè)木衛(wèi)食出現(xiàn)的時(shí)間比從平均運(yùn)轉(zhuǎn)周期中計(jì)算出的時(shí)間遲幾分鐘，勒麥認(rèn)為這是由于額外增加的行程多費(fèi)了時(shí)間；當(dāng)?shù)厍驈腇運(yùn)轉(zhuǎn)到G時(shí)，木衛(wèi)食出現(xiàn)的時(shí)間比平均值要小，勒麥認(rèn)為這是由于光線(xiàn)少走的行程引起的。

盡管法國(guó)科學(xué)院沒(méi)有立刻接受勒麥的理論，讓·皮卡特和卡西尼對(duì)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(guān)測(cè)的資料在一場(chǎng)大火中毀于一旦。

東方不亮西方亮，盡管勒麥的理論在法國(guó)沒(méi)有得到足夠的重視，但在英國(guó)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(cè)量星體的視差時(shí)，偶然間打開(kāi)了光速測(cè)量的希望之門(mén)。布拉德雷意識(shí)到，當(dāng)光的傳播跟地球在它的軌道上的前進(jìn)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(lài)光和地球的速度之比而被人觀(guān)察記錄到。布拉德雷利用這種光行差計(jì)算得到太陽(yáng)光到達(dá)地球的時(shí)間約為8分13秒，比勒麥測(cè)定的11分鐘更接近正確值。用牛頓對(duì)的微粒說(shuō)可以很容易地解釋光行差：光粒子像雨滴那樣落下時(shí)，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡隨著地球的運(yùn)動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，光的粒子就進(jìn)入向前傾斜的望遠(yuǎn)鏡鏡筒內(nèi)。

時(shí)間到了19世紀(jì)，牛頓的微粒說(shuō)逐漸被年輕的研究人員和學(xué)者所拋棄，光速的測(cè)量也進(jìn)化到一個(gè)新的階段。惠斯通早在1834年就曾經(jīng)用旋轉(zhuǎn)鏡測(cè)量電火花的持續(xù)時(shí)間，這種方法給光速的測(cè)量提供了新的方法?；谶@樣的思考，阿拉哥計(jì)劃用旋轉(zhuǎn)鏡測(cè)量光速，然而這樣的旋轉(zhuǎn)鏡理論上需要實(shí)現(xiàn)每秒1000多次的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的技術(shù)要求對(duì)當(dāng)時(shí)的機(jī)械時(shí)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(lái)完成，法國(guó)物理學(xué)家阿曼達(dá)·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(xiàn)經(jīng)過(guò)720個(gè)規(guī)則擋光齒輪旋轉(zhuǎn)遮光，通過(guò)計(jì)算遮光的次數(shù)得到1秒鐘內(nèi)光行進(jìn)的距離。每秒31.5萬(wàn)公里，這已經(jīng)與現(xiàn)在的數(shù)值相當(dāng)接近了，毫無(wú)疑問(wèn)齒輪的遮光寬度影響了測(cè)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(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平面鏡代替遮光板。鏡子以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，使它在光線(xiàn)發(fā)出并且從一面靜止的鏡子反射回來(lái)的這段時(shí)間里，剛好旋轉(zhuǎn)一圈，這樣能夠準(zhǔn)確地測(cè)得光線(xiàn)來(lái)回所用的時(shí)間，就可以算出光的速度。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，傅科測(cè)得的光速平均值為每秒鐘29.8萬(wàn)。傅科還在整個(gè)裝置充入了水，測(cè)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(guó)的詹姆斯·楊和喬治·福布斯對(duì)光速的測(cè)量方法進(jìn)行了一系列的改進(jìn)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(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)藍(lán)光的速度比紅光快1.8%。

光速的最精確測(cè)量是在美國(guó)完成的。1867年，海軍天文臺(tái)的紐科姆建議重做傅科的實(shí)驗(yàn)并獲得了太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)室做了初步的實(shí)驗(yàn)。1882年邁克爾遜在紐科姆的請(qǐng)求下又在俄亥俄州的克利夫蘭的凱斯學(xué)院重新做了實(shí)驗(yàn)，邁克爾遜使用八角形轉(zhuǎn)動(dòng)鏡免除了反射光線(xiàn)的角度偏差，測(cè)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(shí)間進(jìn)入20世紀(jì)，電子設(shè)備代替了原先的機(jī)械設(shè)備，測(cè)量設(shè)備的電子化能夠進(jìn)一步提高測(cè)量精度。1972年美國(guó)科學(xué)家利用激光干涉測(cè)量法獲得了最精確的光速：一束頻率已知的激光經(jīng)過(guò)分光后通過(guò)不同的傳播路徑后再次匯合干涉，在觀(guān)察干涉圖樣的同時(shí)，調(diào)整路徑的長(zhǎng)度，就可以計(jì)算出精確的波長(zhǎng)，從而得到光速，測(cè)量得到的光速為299792458m/s，這是科學(xué)測(cè)算出來(lái)最精確的光速數(shù)值了。由此產(chǎn)生的改變是標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位“米”的改變，在1983年第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，一個(gè)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(guò)的長(zhǎng)度”。
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