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，教科書上的299792458m/s（真空中的光速），從遠(yuǎn)古的光速無限大到這一精確的數(shù)值，人類對(duì)光速的測(cè)量經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的上百年的時(shí)間，這一過程是人類智力發(fā)展和科技進(jìn)步的漫長(zhǎng)過程。

電燈接通電源就能照亮整個(gè)房屋，或許基于同樣的觀測(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(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。毫無疑問，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)天體的觀測(cè)，尤其是對(duì)木星的衛(wèi)星的觀測(cè)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(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(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)為這是由于光線少走的行程引起的。

盡管法國(guó)科學(xué)院沒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)，偶然間打開了光速測(cè)量的希望之門。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(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?；菟雇ㄔ缭?834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，光線經(jīng)過720個(gè)規(guī)則擋光齒輪旋轉(zhuǎn)遮光，通過計(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(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)，使它在光線發(fā)出并且從一面靜止的鏡子反射回來的這段時(shí)間里，剛好旋轉(zhuǎn)一圈，這樣能夠準(zhǔn)確地測(cè)得光線來回所用的時(shí)間，就可以算出光的速度。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，傅科測(cè)得的光速平均值為每秒鐘29.8萬。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(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)通過的長(zhǎng)度”。
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