它是宇宙的速度極限，也是我們藉以認識宇宙的一個關鍵數據

測定光速

它是宇宙的速度極限，也是我們藉以認識宇宙的一個關鍵數據。不過，為了確定這個數值，科學家們真是很下了一番功夫。

古希臘數學家歐幾裡得相信，我們之所以能看見事物，是因為眼睛發出了光線。

大英雄亞歷山大宣稱，因為我們一睜眼就能看見遙遠的星星，說明星星發出的光不到眨眼工夫就已進入我們眼中，所以光速必定是無限大的。11世紀，巴士拉數學家艾爾哈贊發表了自己的《光學專著》，其重要性堪比牛頓的《數學原理》。艾爾哈贊在這本書中稱，取決於光所穿越的介質的不同，光的速度也不同，並且光速是有限的。光在空氣中穿越的速度，大於它穿越水和玻璃的速度。

人類對光的認識不斷增長。13世紀，英國人羅傑·培根

羅傑·培根

利用艾爾哈贊有關光的理論來支持這樣一個理論：光速很快，比音速還快，但並非無限大。當時還有一種觀點：光在空曠太空中的穿行速度可能是無限大的，但是在介質中光速會減緩。到了17世紀，像德國科學家開普勒和法國哲學家德斯卡特斯之類的科學名人，堅持認為光速無限大。

開普勒

開普勒指出，實際情況必定如此，因為空曠的太空不會阻攔光的穿越。德斯卡特斯的結論則是基於實際觀測：如果光的穿行速度是有限的，那麼在一次月食期間，太陽、地球和月球就不會排成一線，但實際情況相反，反過來就證明了光速是無限的。

也正是到了這個時候，人們首次嘗試對光速進行直接測量。1629年，荷蘭哲學家伊薩克·比克曼提議進行一項實驗：在大約1600米外用鏡子反射炮彈閃光，測量光反射回來所花的時間。科學家伽利略則獨立提議了一個類似的實驗：讓他的學生把一盞點亮的燈籠帶到大約1600米外，測量燈籠亮光到達觀測點所經過的時間。這兩項實驗都未能檢測到任何遲延，從而證實了一種看似正確的偏見：光速的確是無限快的。

憑藉我們今天對光速的認識，我們知道在上述兩項實驗中光的往返時間只有大約十萬分之一秒。這低於人體最快的反應時間，所以觀測者測量不到任何遲延。與之對比，行星之間的距離如此之大，以至於光在兩顆行星之間的旅行要花好幾分鐘時間。為了測量光速，根本要求是找到某種合適的參照物。

在巴黎，喬萬尼·卡西尼

一直在觀測木星的衛星（簡稱木衛），它們都在各自軌道中一會兒消失於木星背後，一會兒又重新出現在木星前方。他的測量結果有差異，他把這歸因於光速是有限的。丹麥天文學家奧勒·羅默隨即也投身於此。他在1676年注意到，依娥（木衛一，也是最靠近木星的衛星）

重新出現在木星前方所花的時間，在地球靠近木星期間少於地球離開木星期間（地球與木星之間存在相對接近和相對遠離的運動）。這證實了卡西尼的猜測——當地球向木星靠近時，地球與木星之間的距離越來越近，光線穿越的距離也越來越短，因此到達的時間也相對早。相反，在地球離開木星的過程中，光線穿越的距離增加，到達得也相對晚。羅默的測量以及他對地球運動相關性的發現，使得他被認可為光速有限的證明者。1690年，荷蘭數學家克里斯蒂安·惠更斯使用羅默的估計值，算出的光速是大約每秒22萬千米，即為現代這一數值的70%。

測量光速故事的下一步再度涉及天文學，具體而言，是涉及光的像差。什麼是光的像差呢？不妨用一個大家熟悉的現象——在雨中移動以保持乾燥——來說明。當你靜止時，雨滴是垂直下落的（沒有風的時候）；而在你往前走時，雨滴卻好像是從你前方的某個點落下的，你得把雨傘往前傾斜一點才能不被淋著。現在，把降落的雨想像為來自遙遠星球的光線，把你在雨中的移動設想成地球在太空中的運動。那麼，由於上述現象即像差的存在，這顆恆星的視位置會不斷改變。

1729年，英國皇家天文學家詹姆士·布蘭德利發現了像差現象。他測量了天龍星座的一顆恆星，

發現它的視位置首先南移，然後北移，周期為6個月。儘管這一運動的幅度隻約為0.01°，但運用18世紀的設備卻已經能測到了。布蘭德利由此算出，光速約為地球在軌道中速度（即圍繞太陽公轉的速度）的1.02萬倍，即光速大約是每秒29.5萬千米。這一數值距離現代光速測定值只有約2%的誤差。

為了測定很高的速度，要麼需要像天文學中那樣的遙遠距離，要麼需要測量極小時間間隔的能力。1849年，法國物理學家路易·菲佐在後一方面找到了一種在地球上測量光速的方法。他在一隻迅速旋轉的齒輪的齒縫間發射光線，8000米外的一面鏡子把光線反射回來。如果光線通過齒縫，它會被看見；但如果它擊中鋸齒，它就不會被看見（顯示為黑暗）。他改變齒輪轉速，由此就能確定光線往返所花時間。由於鏡子與齒輪之間的距離是已知的，菲佐得以推算出光速大約為每秒31.3萬千米。1862年，法國科學家利昂·傅科運用相似理念，但改用旋轉的鏡子來測量光線偏轉的角度，由此算出的光速是每秒29.9796萬千米，與現代光速值——每秒29.9792萬千米已經相當接近。

1865年，蘇格蘭數學家和物理學家詹姆士·克拉克·麥克斯韋發表了自己對電磁波的研究結果。

按照他的理論，光是電場和磁場中的一種波——電磁波。在任何一種電磁波中，一個電場消失，一個磁場出現，反之亦然，不斷重複。自由太空對電磁波的阻力，被稱為自由太空的介電常數；自由太空對磁場的阻力，則被稱為自由太空的導磁常數。在麥克斯韋理論中，光速是與這些數值有關的。電場和磁場來回振蕩的容易程度，決定著電磁波穿越的速度。這些數值的乘積，與光速平方成反比。

由此看來，從某種意義上說，開普勒在幾百年前的推測是正確的。按照麥克斯韋的理論，如果太空沒有任何阻力，光速就確實會是無限大的。但事實上，太空是有阻力的。19世紀末，根據麥克斯韋方程式算出的光速數值是每秒29.9788萬千米，與現代光速值——每秒29.9792萬千米更加接近了。

1887年，美國人艾伯特·麥克爾森和愛德華·莫裡嘗試測量地球在「以太」（當時被相信瀰漫於所有太空的一種介質）中的穿行速度，方法是測量光在兩個垂直方向的速度差。他們使用了半透明鏡子，它們能讓光偏轉90°，卻又不受阻礙地繼續前行。沿著光的路徑反射兩根光柱，並且重組它們，任何速度差都會通過兩個波的異相而顯現——波峰和波谷之間的不匹配會顯示為一系列明暗條紋，稱為干涉影像。

麥克爾森和莫裡的實驗裝置很靈敏。讓他們大吃一驚的是，該裝置證明了光速是一致的，不取決於任何方向。接著，這讓愛因斯坦確信以太並不存在，或者並不以當時人們相信的形式存在。這還讓愛因斯坦

在1905年提出了他的狹義相對論。感謝愛因斯坦——對光速的精確測量，讓他提出了對時間和太空本質的新見解。

尤其是，愛因斯坦的理論暗示，真空中的光速是自然界的速度極限值：沒有哪個有品質的物體能達到真空中的光速，而任何沒有品質的微粒在真空中的速度都必定是光速。然而，光在通過一種透明介質（例如水和玻璃）時會減速；有可能讓粒子（例如電子）穿越介質的速度快於光穿越介質的速度，但仍然低於光在真空中的速度——光速的絕對極限值。

電磁波的速度與光速符合，這證明可見光、無線電波、X射線及更多的波都是波長和頻率不同的電磁波。

在雷射器發明之前的20世紀50年代，多名科學家使用空腔共振器對電磁波的頻率和波長各自進行了測量，得到的波速是每秒29.7992萬千米，誤差是每秒3千米。我們不妨對此做一種現代版的演示。把一條巧克力放入沒有轉盤的微波爐中，在微波強度最大的點位，巧克力被加熱的速度也最快。兩個連續「最熱點位」之間距離是微波波長的一半。用微波頻率（一般是2450兆赫茲）乘以波長，得到的就是光速——儘管它比20世紀50年代實驗室測定的光速還是要慢些。

現代超長距離光速測量涉及發射無線電信號到不同的飛行器，這些飛行器在太陽系中的位置被精確測定，其中要考慮太陽和各行星引力。用這種方法測定的光速準確度，可達一千億分之二。麥克爾森-莫裡技術的現代版本使用的是雷射柱，它們的頻率已知非常精確。當雷射柱被分成兩條路徑並且重組後，能夠解碼干涉影像以確定光的波長。波速就是波長和頻率的乘積。1972年，這導致光速測量的精確度高於二千五百億分之一。

原子鐘

今天，使用更先進的高度穩定雷射和利用原子鐘測量時間間隔，科學家得到的光速測量最精確值是每秒29.979 245 8萬千米，不確定值僅為每秒1米。其中，秒可以通過原子鐘來精確定義，光速中的不確定性主要是由定義1米的準確度帶來的。1983年，科學界同意把光速「固定」在上述值，於是米的定義就是：真空中光在1秒裡穿行距離的299 792 458分之一。

在過去的幾百年中，物理學家們一直致力於測量光相對於宇宙時空的速度，而今天的科學家則不同，他們是從光速中確定宇宙時空的特性。

一個關鍵實驗

最靠近木星的木衛——依娥（木衛一），每42.5小時環繞木星一周。從地球上看去，依娥周期性地消失於木星背後，稍後又再度出現。科學家相信，交食（指一個天體經過另一個天體前方，將後者部分或完全擋住的現象）之間的時間間隔應該是一樣長的。

然而，當喬萬尼·卡西尼在1671年觀測依娥與木星交食時，發現其時間間隔是變化的。他認識到，這可能是因為光線從木星旅行到地球需要花時間，在此期間地球會運動，所以根據地球是朝著木星而去還是離開木星而去，光線從木星旅行到他的望遠鏡時所穿越的距離從一次交食到另一次交食是不同的。

奇怪的是，卡西尼看來並不相信自己的直覺，而他的助手奧勒·羅默自己進行了這方面的觀測。當羅默把自己的觀測與卡西尼的觀測合併後，他意識到這些變化與地球和木星的相對運動相關。他進行了很長的一系列觀測，證明了自己的猜想，並由此估計光速超過每秒22萬千米（而他的同事惠更斯算出的光速也大約是每秒22萬千米）。對當時的許多人來說，這麼大的數值難以想像，簡直堪稱無限快。因此，羅默的這一估計在當時並未被普遍接受。一直到英國天文學家詹姆士·布蘭德利通過恆星像差測量光速，羅默的光速理論才終於被認可。

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