光速的測量歷史

原文標題:《光速的測量》

光速是物理學中最重要的常數之一，它決定了時間和空間的尺度，也是相對論和量子力學的基礎。然而，人類對光速的認識并不是一蹴而就的，而是經過了幾千年的探索和實驗。本文將回顧光速測定的歷史，從古代哲學家到現代科學家，展示他們如何用智慧和創造力逐步揭開光速之謎。

最早關于光速性質的思考可以追溯到古希臘時期。當時有兩種觀點:一種是亞里士多德等人認為光是無形無質無限快地傳播的；另一種是恩培多克勒等人認為光是由微小粒子組成的，并且有有限的速度。但這些觀點都沒有實驗依據，只是純粹的推理。

直到 17 世紀初，意大利物理學家伽利略才進行了最早的測量光速的實驗。他設計了一個簡單的方法:讓兩個人分別站在相距幾公里遠的山頂上，手持遮擋燈火的屏風。其中一個人先打開屏風露出燈火，另一個人看到后立即打開自己的屏風。通過記錄兩個信號之間的時間差和距離差，就可以計算出光速。然而，由于當時沒有精確計時器和望遠鏡等設備，伽利略并沒有得到滿意結果。

接下來，在 17 世紀中后期，法國天文學家羅默首次利用天文現象成功地測出了光速。他發現木星衛星掩星發生時間與地球與木星距離有關:當地球靠近木星時掩星提前發生；當地球遠離木星時掩星延后發生。羅默推斷這是因為光需要花費一定時間從木星衛星傳播到地球上觀察者眼中所致，并據此估算出了光速約為每秒 21 萬公里。

在 18 世紀初期，英國物理學家布拉德雷通過觀察恒星位置隨季節變化而產生微小擺動現象，進一步改進了羅默方法，并得到了更加精確的光速值為每秒 30 萬公里 。

在 18 世紀中期，法國物理學家傅科和福伊分別使用了地面實驗裝置來測量光速 。他們的方法都是利用旋轉的齒輪和鏡子來打斷和反射一束光，并根據光在不同位置出現的時間差來計算光速。傅科和福伊得到了相近的結果，約為每秒 29.8 萬公里。

在 1860 年代，麥克斯韋正在使用實驗數據確定電磁波的速度，他的計算結果是每秒 31 公里。并且，他還認為這就是光速，因為光只是電磁波的一種形式。這意味著我們想要知道光速，不用真的去測量光。1907 年，有兩位科學家就利用這個想法，使用介電常數和磁導率確定了光速的值。

19 世紀末期，美國物理學家邁克爾遜以畢生精力從事光速的精密測量。他與莫雷合作，試圖找到可以讓光傳播的介質以太。但是，他們的實驗得到了相反的結果，證明了以太不存在，光速似乎是一個恒定值。1879 年，他改進了傅科方法，利用透鏡把光路延長，獲得光速值為每秒 299910±50 公里。1882 年，他又把測量精度提高，獲得的數值為每秒 299853±30 公里。

在 1905 年，德國物理學家愛因斯坦提出了狹義相對論。受到邁克爾遜-莫雷實驗的啟發，他假設光速是一個不變的常數，在任何慣性參考系中都相同，并且不受觀察者運動狀態影響。這一理論成為現代物理學的基石之一。

在 20 世紀中后期，隨著電磁波、雷達、激光等技術的發展，人類對于光速測定有了更多新方法和新手段。例如，利用雷達向太陽系行星發射信號并接收回波來計算行星距離和信號傳播時間；利用激光干涉儀或空腔共振器來測量激光波長和頻率等。

經過幾百年不斷努力和創新，人類對于光速已經有了非常精確而穩定的測量結果。1973 年，在法國巴黎召開第 14 屆國際計量大會上，《米制條約》修訂通過了一個重要決議:將光在真空中行進 1/299792458 秒內的距離定義為 1 米。這樣就把米與真空中光速聯系在一起，從而使得一米成為一個精確的常數，不再需要實驗測量。這一決議也標志著人類對于光速測定的歷史進入了一個新階段。

總之，光速測定的歷史是一部人類智慧和創造力的歷史，也是一部科學方法和技術進步的歷史。從古代哲學家到現代科學家，從天文觀測到地面實驗，從相對論到量子力學，人類對于光速的認識不斷深化和發展，為物理學和其他科學領域提供了重要的基礎和啟示。