01

前言

眾所周知，真空中的光速是宇宙中最快的速度，沒有之一。

目前公認的最精確的光速值來自於國際協議：c=299792458.458米/秒。

光速如此之快，每秒鐘可以繞地球赤道7.5圈。

光速如何測量？

那麼光速是如何測量的呢？有哪些精妙的實驗和有趣的故事？

本文帶你瞭解「光速測量」的前世今生！

圖片截取自《工科物理》1991第2期第43頁

02

測量光速是個技術活兒

測量光速，可是個難度超高的技術活兒。

原因是什麼呢？主要是因為光速實在是太快了！

下面介紹幾個歷史上著名的有關測量光速的實驗或者認識：

（1）亞里士多德認為光速是無限大的

古希臘聖哲亞里士多德認為光速是無限的。

原因很簡單，亞里士多德認為光是從眼睛中發射出來的。

一睜開眼睛就能看的整個世界，說明一瞬間光已經從眼中發出去又回來了——因此光速一定是無限的。

亞里士多德對光速的看法統治了西方1500年，直到伽利略出現，對此產生懷疑。

（話說經常有讀者問我，亞里士多德怎麼老是被推翻？我也很無奈呀，可能是因為他說的太多了吧！不過話說回來，亞里士多德更多的理論是正確的，大家糾結於這位大哲的錯誤，可能是一種找茬兒的心理吧！）

亞里士多德

（2）伽利略測量光速失敗

“找茬青年”伽利略就不認為光速是無限的，所以在1607年，他就測量光速做過一個實驗：

• 兩個人站在兩個山頭，各自拿一盞燈；
• 當看到對面的燈時，就立即用遮蔽物擋住自己的燈；
• 當看到對面的人擋住了燈時（也就是看到對面的燈在視野中消失時）就再次“放出”自己的燈光。

根據山頭之間的距離和燈光閃爍的頻率，就能計算出光速了！

但由於設備不夠精確，光速又太快，所以伽利略失敗了。

但是，伽利略留下一句話：這個實驗並不能說明光速是否是無限的，但是可以證明，即使光速不是無限大，也是非常、非常大的一個值。

伽利略

（3）利用星星來測光速

1676年，丹麥天文學家羅麥根據木星衛星的運動，第一次真正測量了光速，精度確定在10^8米每秒的量級，終於證明了光速不是無限大的。

木星

類似的，1725年，布萊德雷發現恆星“光行差”，估算出太陽光到地球需要8分鐘13秒，再次證明光速不是無限大的。

恆星

（4）旋轉齒輪法和旋轉鏡面法

為了測量光速，1849年9月，法國實驗物理學家斐索設計了旋轉齒輪法，得到了比較精確的結果（2.99~3.01×10^8m/s）。

斐索

其實，該實驗設計的原理和伽利略實驗的原理近似，只是用到了更精密的儀器。

旋轉齒輪法

一年後的1850年，法國物理學家傅科改進了斐索的方法，用透鏡、平面鏡和凹鏡設計了旋轉鏡面法，測出了更精確的光速是2.98×10^8米每秒。

預測量光速相比，傅科更為人所知的傅科擺

同時傅科還測算出了光在水中的折射率，驗證了光的“波動說”，也成了壓死光的“粒子說”的最後一根稻草。

光的波動說

（5）邁克爾遜的旋轉稜鏡法

邁克爾遜把齒輪法和旋轉鏡面法做了結合和改進，用一個正八面稜鏡替代了旋轉平面鏡，設計了旋轉稜鏡法。

邁克爾遜

從1878年到1923年，邁克爾進行了持續50年的測量，把光速的測量精度提高到了非常高的程度。

旋轉稜鏡法

（6）邁克爾遜-莫雷實驗：光速不變

唯一一個在我們榜單中出現兩次的人：邁克爾遜，他在和莫雷合作的實驗中，得到了光速不變的結果。

年輕的邁克爾遜

而這個實驗本身是為了去測量光速的改變——由於地球在“以太”中的運動造成的光速變化。

邁克爾遜-莫雷實驗儀器

所以呢，這個實驗可以說是一個成功的“失敗實驗”：在實驗上是成功的，但是在尋找“以太”上，它失敗了——這個實驗也直接證明了“以太”並不存在，並且為愛因斯坦的狹義相對論奠定了實驗基礎。

當然，邁克爾遜還是很靠譜的，雖然他特別希望能測出光速的變化，前後做了近30年的實驗，但是最終他還是很誠懇的公佈了結果。

邁克爾遜-莫雷實驗儀器示意圖

03

總結

光速作為宇宙中最重要的常數，它的測量工作是非常重要的。

光速的精確測量，體現了實驗物理學家高超的技藝。

在光學的發展中，出現過“粒子說與波動說之爭”和“以太是否存在”等等重大問題，最終都是通過“測量光速”得以解決的。

“光速不變”更是變相催生了狹義相對論這種改天換地的理論出現。

可以說，光速的測量史就是科學發展史的一個縮影。

（完）

ps：更多關於光的波動說與粒子說之爭，邁克爾遜-莫雷實驗的具體介紹，請關注後獲取。