无限还是有限？宇宙之最：光速的前世今生

发布者：凉月入秋 2023-6-28 04:37

在17世纪以前，人们普遍认为光是瞬时传播的。这种看法是有依据的，人们观察到在月食期间，地球在月球上的投影位置没有肉眼可见的延迟现象。如果光速c是有限的，那么这种延迟就应该能被观察到。

现在，我们知道了这是因为光的移动速度太快了，以致于这种延迟现象难以察觉。伽利略对光速是无限的这种结论持怀疑态度，所以他设计了一个实验来测量光速。实验通过手动调整放置在相隔几英里的灯笼的亮暗进行。我们不知道他是否尝试了这个实验，但是c的值太大了，通过这种方法哪怕是给出一个近似精确的答案也很难。

Olaus Roemer(奥劳斯.罗默)在1676年首次测量出了光速c。他观察到，根据地球-太阳-木星的的位置关系，木星的卫星发生日食的预测时间和这些日食被观察到的实际时间之间有高达1000秒的差异。他正确地推测出了这是因为，由于木星和地球之间的距离变化，光从木星传播到地球的时间长度发生了变化。他得出光速c的值为214000公里每秒，这与实际的光速值很接近，因为当时还不知道精确的行星之间的距离。

在1728年，James Bradley(詹姆斯.布拉德利)通过观察恒星光行差给出了另一个估计方法。恒星光行差是由于地球围绕着太阳运动而引起的恒星的表观移位现象。他观察到了天龙座的一颗恒星，并发现它的位置在一年中发生了变化。所有的恒星的位置都受到同样的影响。（这将恒星光行差和视差区分开来，视差对附近的恒星的影响比远处恒星的影响更大。）

图解：光行差可以由速度叠加的原理解释。在沿EE'方向运动的观察者看来，天体S好像位于S'的方向。

为了理解这种光行差，一个比较有用的类比是，想象一下当你在雨天奔跑时，你的位置对于雨滴落在你身上的角度的影响。如果你静止地站在没有风的雨里，那么雨滴会垂直的打在你的头上。如果你在雨中奔跑，那么雨滴就会形成一个角度落在你的前面。布拉德利测量了光线的角度，在地球围绕太阳的转速已知的情况下，他计算出了光速的值为301000千米每秒。

1849年，Armand Fizeau（阿曼德.菲索）首次没有利用宇宙中的关系计算出了c值。他使用了8公里外的镜子反射出的光束。该光束对准了一个快速旋转的齿轮的齿。齿轮的速度不断增加，直到光束的双向通道与齿轮上一个齿绕圆周的运动轨迹重合。上述过程测量出的光速c结果为315000千米每秒。Leon Foucault(利昂·福柯)在一年后使用旋转镜对这一结果进行了改进，给出了更精确的光速值即298000千米每秒。他的测量技术很好，足以验证光在水中的传播速度比空气中更慢。

在麦克斯韦发表了他的电磁学理论之后，通过测量自由空间的磁导率和电介电常数来间接计算光速成为了可能。这一过程在1857年由韦伯(Weber)与鲁道夫·科尔劳施(Rudolf Kohlrausch)首次实现。1907年，Rosa and Dorsey通过这种方式得到了光速值299788千米每秒。这是当时最精确的光速值。

随后有很多其他的技术被用来进一步提高测量值c的精度，由于c是光线在真空中传播的速度，很快校正空气的折射率变得很有必要。1958年，Froome利用微波干涉仪和克尔盒快门得到了光速值为299792.5千米每秒。1970年以后，具有极高光谱稳定性和精确铯原子钟的激光的发展使更好的测量成为了可能。在那之前，米的定义一直在变化，这种变化阻碍了光速测量的精确性。

但是到了1970年，光速的误差已经达到了正负1m /s之间。以米为单位来确定c的值并使用原子钟和激光来测量精确的距离成为更实际的选择。现在，真空中的光速被定义为以标准单位给出的一个精确的固定值。自1983年以来，国际上达成共识将米定义为光在真空中1/299,792,458秒的间隔内走的距离。这使得光速精确到299792.458千米每秒。(另外，因为英寸现在被定义为2.54厘米，光速也有一个用英制单位定义的精确值。)这个定义只有在真空中光速被所有的观察者测量到具有相同的值时才有意义;一个有待实验验证的事实(参见相关的FAQ文章“光速是恒定的嘛？”)。至于光在如空气和水等介质中传播的速度还需要通过实验来进行测量。

下表给出了根据Froome和Esse实验结果的最佳测量值：