原文標(biāo)題:《光速的測(cè)量》

光速是物理學(xué)中最重要的常數(shù)之一，它決定了時(shí)間和空間的尺度，也是相對(duì)論和量子力學(xué)的基礎(chǔ)。然而，人類對(duì)光速的認(rèn)識(shí)并不是一蹴而就的，而是經(jīng)過了幾千年的探索和實(shí)驗(yàn)。本文將回顧光速測(cè)定的歷史，從古代哲學(xué)家到現(xiàn)代科學(xué)家，展示他們?nèi)绾斡弥腔酆蛣?chuàng)造力逐步揭開光速之謎。

最早關(guān)于光速性質(zhì)的思考可以追溯到古希臘時(shí)期。當(dāng)時(shí)有兩種觀點(diǎn):一種是亞里士多德等人認(rèn)為光是無形無質(zhì)無限快地傳播的；另一種是恩培多克勒等人認(rèn)為光是由微小粒子組成的，并且有有限的速度。但這些觀點(diǎn)都沒有實(shí)驗(yàn)依據(jù)，只是純粹的推理。

直到 17 世紀(jì)初，意大利物理學(xué)家伽利略才進(jìn)行了最早的測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)。他設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法:讓兩個(gè)人分別站在相距幾公里遠(yuǎn)的山頂上，手持遮擋燈火的屏風(fēng)。其中一個(gè)人先打開屏風(fēng)露出燈火，另一個(gè)人看到后立即打開自己的屏風(fēng)。通過記錄兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差和距離差，就可以計(jì)算出光速。然而，由于當(dāng)時(shí)沒有精確計(jì)時(shí)器和望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備，伽利略并沒有得到滿意結(jié)果。

接下來，在 17 世紀(jì)中后期，法國(guó)天文學(xué)家羅默首次利用天文現(xiàn)象成功地測(cè)出了光速。他發(fā)現(xiàn)木星衛(wèi)星掩星發(fā)生時(shí)間與地球與木星距離有關(guān):當(dāng)?shù)厍蚩拷拘菚r(shí)掩星提前發(fā)生；當(dāng)?shù)厍蜻h(yuǎn)離木星時(shí)掩星延后發(fā)生。羅默推斷這是因?yàn)楣庑枰ㄙM(fèi)一定時(shí)間從木星衛(wèi)星傳播到地球上觀察者眼中所致，并據(jù)此估算出了光速約為每秒 21 萬公里。

在 18 世紀(jì)初期，英國(guó)物理學(xué)家布拉德雷通過觀察恒星位置隨季節(jié)變化而產(chǎn)生微小擺動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)一步改進(jìn)了羅默方法，并得到了更加精確的光速值為每秒 30 萬公里 。

在 18 世紀(jì)中期，法國(guó)物理學(xué)家傅科和福伊分別使用了地面實(shí)驗(yàn)裝置來測(cè)量光速 。他們的方法都是利用旋轉(zhuǎn)的齒輪和鏡子來打斷和反射一束光，并根據(jù)光在不同位置出現(xiàn)的時(shí)間差來計(jì)算光速。傅科和福伊得到了相近的結(jié)果，約為每秒 29.8 萬公里。

在 1860 年代，麥克斯韋正在使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定電磁波的速度，他的計(jì)算結(jié)果是每秒 31 公里。并且，他還認(rèn)為這就是光速，因?yàn)楣庵皇请姶挪ǖ囊环N形式。這意味著我們想要知道光速，不用真的去測(cè)量光。1907 年，有兩位科學(xué)家就利用這個(gè)想法，使用介電常數(shù)和磁導(dǎo)率確定了光速的值。

19 世紀(jì)末期，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜以畢生精力從事光速的精密測(cè)量。他與莫雷合作，試圖找到可以讓光傳播的介質(zhì)以太。但是，他們的實(shí)驗(yàn)得到了相反的結(jié)果，證明了以太不存在，光速似乎是一個(gè)恒定值。1879 年，他改進(jìn)了傅科方法，利用透鏡把光路延長(zhǎng)，獲得光速值為每秒 299910±50 公里。1882 年，他又把測(cè)量精度提高，獲得的數(shù)值為每秒 299853±30 公里。

在 1905 年，德國(guó)物理學(xué)家愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論。受到邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，他假設(shè)光速是一個(gè)不變的常數(shù)，在任何慣性參考系中都相同，并且不受觀察者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響。這一理論成為現(xiàn)代物理學(xué)的基石之一。

在 20 世紀(jì)中后期，隨著電磁波、雷達(dá)、激光等技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)于光速測(cè)定有了更多新方法和新手段。例如，利用雷達(dá)向太陽系行星發(fā)射信號(hào)并接收回波來計(jì)算行星距離和信號(hào)傳播時(shí)間；利用激光干涉儀或空腔共振器來測(cè)量激光波長(zhǎng)和頻率等。

經(jīng)過幾百年不斷努力和創(chuàng)新，人類對(duì)于光速已經(jīng)有了非常精確而穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。1973 年，在法國(guó)巴黎召開第 14 屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，《米制條約》修訂通過了一個(gè)重要決議:將光在真空中行進(jìn) 1/299792458 秒內(nèi)的距離定義為 1 米。這樣就把米與真空中光速聯(lián)系在一起，從而使得一米成為一個(gè)精確的常數(shù)，不再需要實(shí)驗(yàn)測(cè)量。這一決議也標(biāo)志著人類對(duì)于光速測(cè)定的歷史進(jìn)入了一個(gè)新階段。

總之，光速測(cè)定的歷史是一部人類智慧和創(chuàng)造力的歷史，也是一部科學(xué)方法和技術(shù)進(jìn)步的歷史。從古代哲學(xué)家到現(xiàn)代科學(xué)家，從天文觀測(cè)到地面實(shí)驗(yàn)，從相對(duì)論到量子力學(xué)，人類對(duì)于光速的認(rèn)識(shí)不斷深化和發(fā)展，為物理學(xué)和其他科學(xué)領(lǐng)域提供了重要的基礎(chǔ)和啟示。