光速的测量历史

原文标题：《光速的测量》

光速是物理学中最重要的常数之一，它决定了时间和空间的尺度，也是相对论和量子力学的基础。然而，人类对光速的认识并不是一蹴而就的，而是经过了几千年的探索和实验。本文将回顾光速测定的历史，从古代哲学家到现代科学家，展示他们如何用智慧和创造力逐步揭开光速之谜。

最早关于光速性质的思考可以追溯到古希腊时期。当时有两种观点：一种是亚里士多德等人认为光是无形无质无限快地传播的；另一种是恩培多克勒等人认为光是由微小粒子组成的，并且有有限的速度。但这些观点都没有实验依据，只是纯粹的推理。

直到 17 世纪初，意大利物理学家伽利略才进行了最早的测量光速的实验。他设计了一个简单的方法：让两个人分别站在相距几公里远的山顶上，手持遮挡灯火的屏风。其中一个人先打开屏风露出灯火，另一个人看到后立即打开自己的屏风。通过记录两个信号之间的时间差和距离差，就可以计算出光速。然而，由于当时没有精确计时器和望远镜等设备，伽利略并没有得到满意结果。

接下来，在 17 世纪中后期，法国天文学家罗默首次利用天文现象成功地测出了光速。他发现木星卫星掩星发生时间与地球与木星距离有关：当地球靠近木星时掩星提前发生；当地球远离木星时掩星延后发生。罗默推断这是因为光需要花费一定时间从木星卫星传播到地球上观察者眼中所致，并据此估算出了光速约为每秒 21 万公里。

在 18 世纪初期，英国物理学家布拉德雷通过观察恒星位置随季节变化而产生微小摆动现象（即行差），进一步改进了罗默方法，并得到了更加精确的光速值为每秒 30 万公里 。

在 18 世纪中期，法国物理学家傅科和福伊分别使用了地面实验装置来测量光速 。他们的方法都是利用旋转的齿轮和镜子来打断和反射一束光，并根据光在不同位置出现的时间差来计算光速。傅科和福伊得到了相近的结果，约为每秒 29.8 万公里。

在 1860 年代，麦克斯韦正在使用实验数据确定电磁波的速度，他的计算结果是每秒 31 万公里。并且，他还认为这就是光速，因为光只是电磁波的一种形式。这意味着我们想要知道光速，不用真的去测量光。1907 年，有两位科学家就利用这个想法，使用介电常数和磁导率确定了光速的值。

19 世纪末期，美国物理学家迈克尔逊以毕生精力从事光速的精密测量。他与莫雷合作，试图找到可以让光传播的介质以太。但是，他们的实验得到了相反的结果，证明了以太不存在，光速似乎是一个恒定值。1879 年，他改进了傅科方法，利用透镜把光路延长，获得光速值为每秒 299910±50 公里。1882 年，他又把测量精度提高，获得的数值为每秒 299853±30 公里。

在 1905 年，德国物理学家爱因斯坦提出了狭义相对论。受到迈克尔逊-莫雷实验的启发，他假设光速是一个不变的常数，在任何惯性参考系中都相同，并且不受观察者运动状态影响。这一理论成为现代物理学的基石之一。

在 20 世纪中后期，随着电磁波、雷达、激光等技术的发展，人类对于光速测定有了更多新方法和新手段。例如，利用雷达向太阳系行星发射信号并接收回波来计算行星距离和信号传播时间；利用激光干涉仪或空腔共振器来测量激光波长和频率等。

经过几百年不断努力和创新，人类对于光速已经有了非常精确而稳定的测量结果。1973 年，在法国巴黎召开第 14 届国际计量大会上，《米制条约》修订通过了一个重要决议：将光在真空中行进 1/299792458 秒内的距离定义为 1 米。这样就把米与真空中光速联系在一起，从而使得一米成为一个精确的常数，不再需要实验测量。这一决议也标志着人类对于光速测定的历史进入了一个新阶段。

总之，光速测定的历史是一部人类智慧和创造力的历史，也是一部科学方法和技术进步的历史。从古代哲学家到现代科学家，从天文观测到地面实验，从相对论到量子力学，人类对于光速的认识不断深化和发展，为物理学和其他科学领域提供了重要的基础和启示。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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