光傳為宇宙中傳播速度最快的物質,現在已經深深地印在了人們的腦海中,我們通常說的光速在真空中的傳播速度為每秒30萬公裡,實質上是一個近似值,通過多年來的精密測量,光速的真實速度為299792458米每秒,之所以取30萬公裡,一方面是為了方便記憶,另外一方面是為了計算的簡捷。那麼,光速是如何測量出來的呢?
對於光速的測量,從歷史進程上來看,基本上是沿著人們對光線傳輸方式理解上的轉變,以及測量技術水平的提升這樣的脈絡進行的。在16世紀以前,人們認為光線傳輸是瞬時完成的,根本不需要時間。到了17世紀,隨著以伽利略和牛頓為代表的物理學家,相繼提出宏觀物體運動規律特別是力學定律以後,人們對速度的理解上了一個嶄新的臺階,並且對光和電等現象的認知也提升到了一個新的高度,既然它們都屬於物質,那麼就必然擁有相應的速度,於是對光線的傳輸速度開啟了密集的實驗。
在17世紀初,伽利略就率先開展了相關實驗嘗試,主要方法就是通過在相隔1.5公裡的兩座山頭上放置兩盞燈,先用物體對其中的一個燈進行遮擋,並開始計時,在另外一個山頭上的助手一看到燈熄滅,就立即用物體把另外一盞燈也進行遮蓋,當伽利略看到對面山頭上的燈熄滅後,就立即停止計時,試圖用這種方法計量光線傳輸3公裡所需要的時間,繼而得到光的傳播速度,不過由於計時設備精確性不高,而且人眼觀察和用手操作的誤差非常大,伽利略的實驗沒有成功。
到了1676年,丹麥天文學家奧勒·羅默發現,地球處在太陽與木星之間的周期,與地球處在太陽與木星連線之外的周期相差15天,因此它認為光速的傳播是有速度上限的,於是他利用監測儀器,測算出了地球遠離木星和接近木星時,木衛一從木星陰影中顯現所經歷的時間,同時考慮到木衛一圍繞木星公轉的時間以及地球的公轉周期和公轉線速度,測算出了光的傳播速度為約為2.2x10^8m/s,現在看來這個測量結果與真實的數值誤差仍然很大,但是這個實驗開啟了應用科學的手段進行光速測量的先河。
1728年,英國天文學家詹姆斯·布拉德利利用恆星光行差的方法進一步測量了光速值,其基本原理是利用地球圍繞太陽運轉的過程中,地球公轉的角速度帶來的觀測太陽角度的變化,進而推導出光的傳播速度,測量結果為3.01*10^8 m/s,精確度大大提升。
1849年,法國物理學家阿曼德·斐索首次應用了非天體觀測法實施了光速測量,他所採用的方法為齒輪測速法,測出的數值為3.15*10^8m/s,以後的很長時間裡,其他科學家應用這個方法不斷進行修正測量,精度逐漸提高,一直到1926年測得的數值,現在看來誤差率僅為十萬分之一。
當1861年蘇格蘭物理學家麥克斯韋提出麥克斯韋方程組之後,猜測光線是一種特殊的電磁波,從而通過理論計算的方式計算出了光速值約為3*10^8m/s,此後許多科學家採用這種方法,藉助測量光線的真空磁導率和真空介電常數,對光速值進行了更加精密的測量。進入20世紀中後期,隨著電子工業的發展,科學家們又應用了諧振腔法、無線電幹涉法、雷射幹涉法等新方法,使光速真空傳播速度的精度又得到明顯提升,特別是雷射幹涉法的應用,從光速等於雷射的頻率和波長的乘積入手進行測量,因為對於雷射來說,測量其頻率的誤差可以達到十億分之一,而通過幹涉儀與基準波長86-氪605nm光譜線對比測量出的波長誤差率也控制在十億分之一,因此這種方式測出的光速理論上是目前最為精準的,在1972年時通過這種方式測得的光速值為299792.4562±0.0011m/s,之所以有「±」,主要是由於86-氪605nm的光譜線的誤差所決定的。
到了1983年,國際計量大會把光速的值正式確定為299792458m/s,這個結果的確定,實質上也是基於雷射幹涉法所取得的成果。而且在該次大會上,還通過這個光速值反推,重新定義了「米」的度量長度,即1米的長度,為光線在真空中傳播1/299792458秒所走過的路程。正是因為光速值是通過實驗人為給定的數據,因此經過計量大會的確定,光速值就被固化了下來,以後也不會再做調整,也就是說精度也就不會再提升了,它已經成為我們目前衡量周圍物體長度所使用的基本單位-米的基準了。
通過以上的分析可以看出,光速值的最終確定,是經歷了許多代科學家們不懈地努力,從光線傳輸最基本的運動特徵和微觀粒子的運動規律出發,得出的越來越接近其實際狀態的數值,而光速本身是一個恆定存在的數值,不因人們的觀測結果和習慣而發生任何改變,我們人為給光速確定一個固定的數值,對於我們利用質能方程、質速方程、鍾慢方程、尺縮方程、引力場方程等這些與光速有直接關係的眾多理論,深入探索我們的周圍世界和廣袤宇宙的運行規律,具有十分重要和不可替代的作用。