光速如此之快如何測(cè)量的？追溯幾百年來(lái)科學(xué)家測(cè)量光速的艱辛歷程

有一位父親碰到這樣的問(wèn)題（相信你也遇到過(guò)），說(shuō)自己女兒?jiǎn)査馑偈窃趺此愠鰜?lái)的。這個(gè)問(wèn)題令我很感動(dòng)，雖然過(guò)去回答過(guò)此類(lèi)問(wèn)題，也忍不住給這位父親在解釋一下。

首先給這位爸爸和女兒都點(diǎn)個(gè)贊，他們父女都是具有科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)精神的人。

這個(gè)問(wèn)題的提出，一方面說(shuō)明這個(gè)小女孩很有思想，勤于思考，提出的這個(gè)問(wèn)題是現(xiàn)代物理學(xué)大廈的最重要支柱，高端問(wèn)題哈；其次說(shuō)明這位爸爸很有責(zé)任感，也非常謙虛，不懂就問(wèn)，一定要給女兒一個(gè)交代，這是女兒成長(zhǎng)過(guò)程中一件很值得記憶的事情。

但網(wǎng)絡(luò)有的人就不像這位爸爸這么謙虛了，少了一些科學(xué)素養(yǎng)，我的貼子中一提到光速，他們就質(zhì)問(wèn)：光速每秒多少多少米是怎么來(lái)的？你到量過(guò)？還弄那么多的數(shù)字，故弄玄虛。還說(shuō)世界最快的是眼光，一下子就看到了億萬(wàn)光年。

對(duì)諸如此類(lèi)質(zhì)問(wèn)除了噴飯還會(huì)有幾許悲哀，正是這種人多了一些，社會(huì)進(jìn)步才更加艱難。如果社會(huì)多有一些像這一對(duì)父女的精神，就會(huì)更加清明。

為此，借這個(gè)機(jī)會(huì)，再詳細(xì)解釋一下光速精確值的求索過(guò)程，以弘揚(yáng)一下科學(xué)精神。

說(shuō)光速是建立現(xiàn)代物理學(xué)大廈的基礎(chǔ)一點(diǎn)都不為過(guò)。在狹義相對(duì)論中，光速是一個(gè)最重要的指標(biāo)。而且光速數(shù)值的準(zhǔn)確測(cè)定，正是科學(xué)從古典蛻變到現(xiàn)代的一個(gè)過(guò)程，是人類(lèi)對(duì)自然世界認(rèn)識(shí)逐漸深化的一個(gè)過(guò)程。

古代，人們對(duì)光速?zèng)]有感覺(jué)，認(rèn)為光本來(lái)就是這個(gè)樣子，速度是無(wú)限的。這是因?yàn)楣糯祟?lèi)對(duì)大自然認(rèn)識(shí)很膚淺。但如今還有一些人依然頑固的堅(jiān)持這種觀點(diǎn)，就是愚昧和無(wú)知了。如果這個(gè)社會(huì)都是這樣一種存在，還能進(jìn)步嗎？

科學(xué)家先驅(qū)們對(duì)光速的測(cè)量費(fèi)勁了腦汁，孜孜以求的經(jīng)過(guò)了幾百年的探索和實(shí)驗(yàn)，才得到了準(zhǔn)確的光速。

最早發(fā)起對(duì)光速測(cè)量的是偉大的科學(xué)先驅(qū)伽利略。他的方法很簡(jiǎn)單也很原始，用兩個(gè)人（甲乙）各自站在一個(gè)山頭，中間相隔1英里，甲乙各拿一盞燈，對(duì)好時(shí)間，然后甲遮光的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，乙看到遮光時(shí)立即遮住自己燈光，甲看到乙的遮光立即停止計(jì)時(shí)。

他們天真的以為這樣就能夠計(jì)算出光的速度，但是失敗了。因?yàn)楣馑倜棵爰s30萬(wàn)千米，1英里才約1600米，光速傳輸只需要18.75萬(wàn)分之一秒，人眼和動(dòng)作完全無(wú)法做到這樣靈敏的反應(yīng)。

但他們和社會(huì)也有收獲，那就是知道了光速比想象中的快多了。伽利略說(shuō)，即便光速是有限的，也一定快到不可思議。

更為重要的是，伽利略的實(shí)驗(yàn)打破了光速無(wú)限的思想禁錮，啟動(dòng)了人類(lèi)對(duì)光速精確度測(cè)量的追求。

最早用科學(xué)方法對(duì)光速進(jìn)行測(cè)量的是丹麥天文學(xué)家?jiàn)W勒·羅默，他用的方法是通過(guò)觀測(cè)木星和木衛(wèi)一之間的“行星掩星”現(xiàn)象（也是繼承伽利略的發(fā)現(xiàn)），聯(lián)系太陽(yáng)和地球位置變化關(guān)系，經(jīng)過(guò)幾十年持續(xù)不斷的觀測(cè)紀(jì)錄，得到了人類(lèi)第一個(gè)科學(xué)測(cè)定的光速數(shù)據(jù)。

他在1676年向法國(guó)科學(xué)院提交了報(bào)告，推斷光速大約為220000千米/秒。雖然這個(gè)數(shù)據(jù)與實(shí)際光速相去甚遠(yuǎn)，但即使到了現(xiàn)代，科學(xué)家們也認(rèn)為他的觀測(cè)本身很科學(xué)并非常精確，只是由于當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算水平不足和地球軌道半徑數(shù)值不精確，才導(dǎo)致這樣的誤差。現(xiàn)在用他測(cè)得的各種參數(shù)重新計(jì)算，得出的光速數(shù)值為298000千米/秒，已經(jīng)很接近精確的光速值了。

這之后光速測(cè)量沉寂了一百多年，一直到1849年，法國(guó)物理學(xué)家阿曼達(dá)·菲索才重拾這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但他采用了更先進(jìn)的方法，就是齒輪遮光法。

這是一個(gè)重大進(jìn)步。具體是采用光源、具有720個(gè)齒輪的旋轉(zhuǎn)遮光板、固定在8公里遠(yuǎn)的反光鏡、透鏡等組成一組測(cè)量設(shè)施，將光源之光通過(guò)透鏡發(fā)射到8公里的反光鏡上，根據(jù)計(jì)算反射回來(lái)的光通過(guò)齒輪空隙的次數(shù)以及齒輪的轉(zhuǎn)速，計(jì)算光在一定時(shí)間反射的次數(shù)疊加數(shù)，從而得出光的傳輸速度。

這套裝置原理和伽利略的差不多，只是通過(guò)反射鏡將光線傳輸距離變相拉得很長(zhǎng)，并采用了機(jī)械控制，減少了誤差。

但由于齒輪的齒有一定寬度，反射回來(lái)的光也可能打在齒的中間，也可能打在邊上，都被遮蓋了，計(jì)算起來(lái)是一樣的，因此并不很精確，最終得出的數(shù)據(jù)為315000千米/秒。

后來(lái)的科學(xué)家們前赴后繼，在菲索實(shí)驗(yàn)的設(shè)備上進(jìn)行了改良。

如1862年法國(guó)物理學(xué)家萊昂·傅科將菲索裝置的旋轉(zhuǎn)齒輪遮板換成了旋轉(zhuǎn)平面鏡，這樣反射的光線落在平面鏡上，只要知道平面鏡的轉(zhuǎn)速和落在平面鏡上光的次數(shù)，就能夠算出光速傳輸值了，這次測(cè)算出的光速為298000千米/秒。

1926年美國(guó)人馬爾克遜用傅科的方法，但把反射鏡間距拉開(kāi)到36公里，測(cè)得光速為299796千米/秒，這已經(jīng)是人類(lèi)采用原始的室外直觀實(shí)驗(yàn)方法能夠獲得精確光速的極限了，要再提升已經(jīng)非常困難。

于是人類(lèi)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始從野外寬闊之地轉(zhuǎn)為實(shí)驗(yàn)室，尋找更精確的辦法。

1972年，美國(guó)科學(xué)家終于在實(shí)驗(yàn)室利用激光干涉法測(cè)量出了最精確的光速，得到的光速為299792456米/秒，但還是有一些誤差和小數(shù)點(diǎn)。

這種方法是將1束頻率已知的激光一分為二，行走不同的路徑，之后再匯合，測(cè)試人員在觀察干涉圖樣的同時(shí)調(diào)整路徑的長(zhǎng)度，從而可以計(jì)算出精確的波長(zhǎng)，得到最精確的光速。

從理論上來(lái)說(shuō)，這種測(cè)速方法不存在誤差，唯一不確定的是對(duì)長(zhǎng)度“米”的定義，導(dǎo)致了細(xì)微的誤差。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，1983年在第17界國(guó)際度量衡大會(huì)上，人們重新定義了“米”，將“1米”定義為光在1/299792458 s（秒）的行駛距離，這樣現(xiàn)在我們的米可能與過(guò)去的米稍微短了人眼無(wú)法看出來(lái)的那么一絲絲，但卻使光速成了一個(gè)整數(shù)，與米的尺度得到統(tǒng)一，使光年成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的量天尺。

光速就是這樣經(jīng)過(guò)一代代科學(xué)家孜孜以求最終達(dá)到精確數(shù)據(jù)的，成為了現(xiàn)代物理學(xué)的一塊奠基石。

而那些認(rèn)為光速無(wú)限，甚至認(rèn)為光是從眼睛中發(fā)出，所以“眼光”才是最快速度的人，思想還停留在幾千年前的古希臘時(shí)代，至少也還停留在阿Q時(shí)代。關(guān)于眼光的問(wèn)題，我在過(guò)去多篇文章已有深刻的闡述，這里就不多說(shuō)了。

我不知道這位爸爸的女兒有多大，其實(shí)只要知道歷史上光速測(cè)算的過(guò)程就可以了，如果一定要計(jì)算的話，是一個(gè)很麻煩的過(guò)程。