測定光速

劉聲遠(yuǎn)

它是宇宙的速度極限，也是我們借以認(rèn)識宇宙的一個關(guān)鍵數(shù)據(jù)。不過，為了確定這個數(shù)值，科學(xué)家們真是很下了一番功夫。

古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得相信，我們之所以能看見事物，是因為眼睛發(fā)出了光線。大英雄亞歷山大宣稱，因為我們一睜眼就能看見遙遠(yuǎn)的星星，說明星星發(fā)出的光不到眨眼工夫就已進入我們眼中，所以光速必定是無限大的。11世紀(jì)，巴士拉數(shù)學(xué)家艾爾哈贊發(fā)表了自己的《光學(xué)專著》，其重要性堪比牛頓的《數(shù)學(xué)原理》。艾爾哈贊在這本書中稱，取決于光所穿越的介質(zhì)的不同，光的速度也不同，并且光速是有限的。光在空氣中穿越的速度，大于它穿越水和玻璃的速度。

人類對光的認(rèn)識不斷增長。13世紀(jì)，英國人羅杰·培根利用艾爾哈贊有關(guān)光的理論來支持這樣一個理論：光速很快，比音速還快，但并非無限大。當(dāng)時還有一種觀點：光在空曠太空中的穿行速度可能是無限大的，但是在介質(zhì)中光速會減緩。到了17世紀(jì)，像德國科學(xué)家開普勒和法國哲學(xué)家德斯卡特斯之類的科學(xué)名人，堅持認(rèn)為光速無限大。開普勒指出，實際情況必定如此，因為空曠的太空不會阻攔光的穿越。德斯卡特斯的結(jié)論則是基于實際觀測：如果光的穿行速度是有限的，那么在一次月食期間，太陽、地球和月球就不會排成一線，但實際情況相反，反過來就證明了光速是無限的。

也正是到了這個時候，人們首次嘗試對光速進行直接測量。1629年，荷蘭哲學(xué)家伊薩克·比克曼提議進行一項實驗：在大約1600米外用鏡子反射炮彈閃光，測量光反射回來所花的時間?？茖W(xué)家伽利略則獨立提議了一個類似的實驗：讓他的學(xué)生把一盞點亮的燈籠帶到大約1600米外，測量燈籠亮光到達觀測點所經(jīng)過的時間。這兩項實驗都未能檢測到任何遲延，從而證實了一種看似正確的偏見：光速的確是無限快的。

憑借我們今天對光速的認(rèn)識，我們知道在上述兩項實驗中光的往返時間只有大約十萬分之一秒。這低于人體最快的反應(yīng)時間，所以觀測者測量不到任何遲延。與之對比，行星之間的距離如此之大，以至于光在兩顆行星之間的旅行要花好幾分鐘時間。為了測量光速，根本要求是找到某種合適的參照物。

在巴黎，喬萬尼·卡西尼一直在觀測木星的衛(wèi)星（簡稱木衛(wèi)），它們都在各自軌道中一會兒消失于木星背后，一會兒又重新出現(xiàn)在木星前方。他的測量結(jié)果有差異，他把這歸因于光速是有限的。丹麥天文學(xué)家奧勒·羅默隨即也投身于此。他在1676年注意到，依娥（木衛(wèi)一，也是最靠近木星的衛(wèi)星）重新出現(xiàn)在木星前方所花的時間，在地球靠近木星期間少于地球離開木星期間（地球與木星之間存在相對接近和相對遠(yuǎn)離的運動）。這證實了卡西尼的猜測——當(dāng)?shù)厍蛳蚰拘强拷鼤r，地球與木星之間的距離越來越近，光線穿越的距離也越來越短，因此到達的時間也相對早。相反，在地球離開木星的過程中，光線穿越的距離增加，到達得也相對晚。羅默的測量以及他對地球運動相關(guān)性的發(fā)現(xiàn)，使得他被認(rèn)可為光速有限的證明者。1690年，荷蘭數(shù)學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯使用羅默的估計值，算出的光速是大約每秒22萬千米，即為現(xiàn)代這一數(shù)值的70%。

測量光速故事的下一步再度涉及天文學(xué)，具體而言，是涉及光的像差。什么是光的像差呢？不妨用一個大家熟悉的現(xiàn)象——在雨中移動以保持干燥——來說明。當(dāng)你靜止時，雨滴是垂直下落的（沒有風(fēng)的時候）；而在你往前走時，雨滴卻好像是從你前方的某個點落下的，你得把雨傘往前傾斜一點才能不被淋著?，F(xiàn)在，把降落的雨想象為來自遙遠(yuǎn)星球的光線，把你在雨中的移動設(shè)想成地球在太空中的運動。那么，由于上述現(xiàn)象即像差的存在，這顆恒星的視位置會不斷改變。

1729年，英國皇家天文學(xué)家詹姆斯·布蘭德利發(fā)現(xiàn)了像差現(xiàn)象。他測量了天龍星座的一顆恒星，發(fā)現(xiàn)它的視位置首先南移，然后北移，周期為6個月。盡管這一運動的幅度只約為0.01°，但運用18世紀(jì)的設(shè)備卻已經(jīng)能測到了。布蘭德利由此算出，光速約為地球在軌道中速度（即圍繞太陽公轉(zhuǎn)的速度）的1.02萬倍，即光速大約是每秒29.5萬千米。這一數(shù)值距離現(xiàn)代光速測定值只有約2%的誤差。

為了測定很高的速度，要么需要像天文學(xué)中那樣的遙遠(yuǎn)距離，要么需要測量極小時間間隔的能力。1849年，法國物理學(xué)家路易·菲佐在后一方面找到了一種在地球上測量光速的方法。他在一只迅速旋轉(zhuǎn)的齒輪的齒縫間發(fā)射光線，8000米外的一面鏡子把光線反射回來。如果光線通過齒縫，它會被看見；但如果它擊中鋸齒，它就不會被看見（顯示為黑暗）。他改變齒輪轉(zhuǎn)速，由此就能確定光線往返所花時間。由于鏡子與齒輪之間的距離是已知的，菲佐得以推算出光速大約為每秒31.3萬千米。1862年，法國科學(xué)家利昂·傅科運用相似理念，但改用旋轉(zhuǎn)的鏡子來測量光線偏轉(zhuǎn)的角度，由此算出的光速是每秒29.9796萬千米，與現(xiàn)代光速值——每秒29.9792萬千米已經(jīng)相當(dāng)接近。

1865年，蘇格蘭數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋發(fā)表了自己對電磁波的研究結(jié)果。按照他的理論，光是電場和磁場中的一種波——電磁波。在任何一種電磁波中，一個電場消失，一個磁場出現(xiàn)，反之亦然，不斷重復(fù)。自由空間對電磁波的阻力，被稱為自由空間的介電常數(shù)；自由空間對磁場的阻力，則被稱為自由空間的導(dǎo)磁常數(shù)。在麥克斯韋理論中，光速是與這些數(shù)值有關(guān)的。電場和磁場來回振蕩的容易程度，決定著電磁波穿越的速度。這些數(shù)值的乘積，與光速平方成反比。

由此看來，從某種意義上說，開普勒在幾百年前的推測是正確的。按照麥克斯韋的理論，如果空間沒有任何阻力，光速就確實會是無限大的。但事實上，空間是有阻力的。19世紀(jì)末，根據(jù)麥克斯韋方程式算出的光速數(shù)值是每秒29.9788萬千米，與現(xiàn)代光速值——每秒29.9792萬千米更加接近了。

1887年，美國人艾伯特·麥克爾森和愛德華·莫里嘗試測量地球在“以太”（當(dāng)時被相信彌漫于所有空間的一種介質(zhì)）中的穿行速度，方法是測量光在兩個垂直方向的速度差。他們使用了半透明鏡子，它們能讓光偏轉(zhuǎn)90°，卻又不受阻礙地繼續(xù)前行。沿著光的路徑反射兩根光柱，并且重組它們，任何速度差都會通過兩個波的異相而顯現(xiàn)——波峰和波谷之間的不匹配會顯示為一系列明暗條紋，稱為干涉圖像。

麥克爾森和莫里的實驗裝置很靈敏。讓他們大吃一驚的是，該裝置證明了光速是一致的，不取決于任何方向。接著，這讓愛因斯坦確信以太并不存在，或者并不以當(dāng)時人們相信的形式存在。這還讓愛因斯坦在1905年提出了他的狹義相對論。感謝愛因斯坦——對光速的精確測量，讓他提出了對時間和空間本質(zhì)的新見解。

尤其是，愛因斯坦的理論暗示，真空中的光速是自然界的速度極限值：沒有哪個有質(zhì)量的物體能達到真空中的光速，而任何沒有質(zhì)量的微粒在真空中的速度都必定是光速。然而，光在通過一種透明介質(zhì)（例如水和玻璃）時會減速；有可能讓粒子（例如電子）穿越介質(zhì)的速度快于光穿越介質(zhì)的速度，但仍然低于光在真空中的速度——光速的絕對極限值。

電磁波的速度與光速符合，這證明可見光、無線電波、X射線及更多的波都是波長和頻率不同的電磁波。在激光器發(fā)明之前的20世紀(jì)50年代，多名科學(xué)家使用空腔共振器對電磁波的頻率和波長各自進行了測量，得到的波速是每秒29.7992萬千米，誤差是每秒3千米。我們不妨對此做一種現(xiàn)代版的演示。把一條巧克力放入沒有轉(zhuǎn)盤的微波爐中，在微波強度最大的點位，巧克力被加熱的速度也最快。兩個連續(xù)“最熱點位”之間距離是微波波長的一半。用微波頻率（一般是2450兆赫茲）乘以波長，得到的就是光速——盡管它比20世紀(jì)50年代實驗室測定的光速還是要慢些。

現(xiàn)代超長距離光速測量涉及發(fā)射無線電信號到不同的飛行器，這些飛行器在太陽系中的位置被精確測定，其中要考慮太陽和各行星引力。用這種方法測定的光速準(zhǔn)確度，可達一千億分之二。麥克爾森-莫里技術(shù)的現(xiàn)代版本使用的是激光柱，它們的頻率已知非常精確。當(dāng)激光柱被分成兩條路徑并且重組后，能夠解碼干涉圖像以確定光的波長。波速就是波長和頻率的乘積。1972年，這導(dǎo)致光速測量的精確度高于二千五百億分之一。

今天，使用更先進的高度穩(wěn)定激光和利用原子鐘測量時間間隔，科學(xué)家得到的光速測量最精確值是每秒29.979 245 8萬千米，不確定值僅為每秒1米。其中，秒可以通過原子鐘來精確定義，光速中的不確定性主要是由定義1米的準(zhǔn)確度帶來的。1983年，科學(xué)界同意把光速“固定”在上述值，于是米的定義就是：真空中光在1秒里穿行距離的299 792 458分之一。

在過去的幾百年中，物理學(xué)家們一直致力于測量光相對于宇宙時空的速度，而今天的科學(xué)家則不同，他們是從光速中確定宇宙時空的特性。

一個關(guān)鍵實驗

最靠近木星的木衛(wèi)——依娥（木衛(wèi)一），每42.5小時環(huán)繞木星一周。從地球上看去，依娥周期性地消失于木星背后，稍后又再度出現(xiàn)。科學(xué)家相信，交食（指一個天體經(jīng)過另一個天體前方，將后者部分或完全擋住的現(xiàn)象）之間的時間間隔應(yīng)該是一樣長的。

然而，當(dāng)喬萬尼·卡西尼在1671年觀測依娥與木星交食時，發(fā)現(xiàn)其時間間隔是變化的。他認(rèn)識到，這可能是因為光線從木星旅行到地球需要花時間，在此期間地球會運動，所以根據(jù)地球是朝著木星而去還是離開木星而去，光線從木星旅行到他的望遠(yuǎn)鏡時所穿越的距離從一次交食到另一次交食是不同的。

奇怪的是，卡西尼看來并不相信自己的直覺，而他的助手奧勒·羅默自己進行了這方面的觀測。當(dāng)羅默把自己的觀測與卡西尼的觀測合并后，他意識到這些變化與地球和木星的相對運動相關(guān)。他進行了很長的一系列觀測，證明了自己的猜想，并由此估計光速超過每秒22萬千米（而他的同事惠更斯算出的光速也大約是每秒22萬千米）。對當(dāng)時的許多人來說，這么大的數(shù)值難以想象，簡直堪稱無限快。因此，羅默的這一估計在當(dāng)時并未被普遍接受。一直到英國天文學(xué)家詹姆斯·布蘭德利通過恒星像差測量光速，羅默的光速理論才終于被認(rèn)可。

主要人物

他們是在過去幾百年中思考過光速問題的一些偉人。

艾爾哈贊（964～1040）

從1011～1020年，這位出生在巴士拉（今伊拉克）境內(nèi)、長期住在開羅的數(shù)學(xué)家撰寫了《光學(xué)專著》共7冊。它們在12世紀(jì)被譯成拉丁文，很大程度上影響了西方世界對彩虹和光學(xué)的認(rèn)識。英國哲學(xué)家羅杰·培根（1214～1294）是受到艾爾哈贊影響的學(xué)者之一，他卻常被誤認(rèn)為是艾爾哈贊理論的原創(chuàng)者。

伽利略·加里雷（1564～1642）

這位意大利科學(xué)多面手常被視為現(xiàn)代科學(xué)之父，他的工作導(dǎo)致了力學(xué)理論的創(chuàng)建。他還對望遠(yuǎn)鏡進行了多方面改進，并且建立了觀測天文學(xué)。他提出行星繞著太陽轉(zhuǎn)，太陽位于太陽系中心。

奧勒·羅默（1644～1710）

在他作為卡西尼（1625～1712）在巴黎的助手期間，這位丹麥天文學(xué)家觀測了木星的衛(wèi)星（木衛(wèi)）。盡管卡西尼想到了觀測數(shù)據(jù)顯示光速是有限的，但證明這一點的人卻是羅默。

利昂·傅科（1819～1868）

除了他自己在光速測量方面的工作，以及證明光在水中的速度低于在空氣中的速度之外，這位法國物理學(xué)家還以“傅科擺”聞名?！案悼茢[”為觀察地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)提供了一種實用方法。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（1831～1879）

這位蘇格蘭科學(xué)家以一種理論一統(tǒng)電和磁的所有已知現(xiàn)象，這個理論預(yù)測了電磁波的存在。電磁波的速度與光速符合，這證明可見光、無線電波、X射線及更多的波都是波長和頻率不同的電磁波。

重要術(shù)語

光行差

也叫光像差，是指一顆恒星看起來在其實際位置附近移動的現(xiàn)象。它是光速有限和地球運動的結(jié)果。

原子鐘

利用原子鐘測量時間是迄今為止測量時間的最精確方法。它使用的是微波信號的頻率。當(dāng)原子里的電子改變能級時，它們會發(fā)射微波信號。

空腔共振器

它是中空而兩端封閉的導(dǎo)體。電磁波沿著這根導(dǎo)體穿行和來回反射。在一個長度合適的共振器里，一個特定頻率的波會被放大。

電容率

是顯示電介質(zhì)極化性質(zhì)的宏觀物理量。又稱介電常量。定義為電位移和電場強度之比。電容率可用電容器確定，電容器是儲存電荷的裝置。

導(dǎo)磁率

是指一種物質(zhì)（包括空曠空間）被磁化的難易程度。導(dǎo)磁率和電容率乘積等于光速平方數(shù)的倒數(shù)。

時間線條

科學(xué)家花了300年時間，設(shè)計出越來越準(zhǔn)確的辦法來測量光速。

1690年 基于奧勒·羅默證明光速有限，他的同事克里斯蒂安·惠更斯算出的光速大約是每秒22萬千米。

1862年 法國物理學(xué)家利昂·傅科使用旋轉(zhuǎn)鏡面，算出光速為每秒29.9796萬千米。

1865年 詹姆斯·麥克斯韋證明光是一種電磁波，使得光速可由已知的空間特性計算出。

1905年 光速不取決于光源速度或觀測者的觀念，構(gòu)成了愛因斯坦狹義相對論的根基。

1972年 一束激光被用來測量一個氪原子的一根特定光譜線的頻率。通過重組這一信息和長度單位米的定義，真空中光速被測定至十億分之一的精度：每秒299，792，458米，精確到每秒1米。

1983年 光速被最終確定下來。于是，1米現(xiàn)在被定義為真空中光在1秒里穿行距離的299 792 458分之1。