光速是如何测量的？

在17世纪之前，人们认为光的传播不需要时间，因为无论多远，只要一发光就能看到。但是科学实验的鼻祖伽利略认为光和声音一样需要时间。1607年，他试图通过实验测量光速，这在科学史上还是第一次。

夜晚，伽利略和他的助手面对面站在相距1公里的A、B两座山上，每座山上都有一个同样精确的时钟。伽利略手里还拿着一盏带盖的灯笼。

实验开始，伽利略打开灯罩，记录下光的瞬间；助手根据自己的时钟记录下他看见光的时间。从这两个时刻的差异可以得出，光从A到B通过距离L所需的时间极短，比两个钟的误差小得多。

伽利略改进了实验。他让助手拿着一面大平面镜站在B山上，拿着一盏灯和一个钟站在A山上。实验开始时，他打开灯罩，记录下发光的瞬间，看到平面镜反射的光时，再次看钟，从而记录下光通过2l距离所用的时间t。理论上讲，这个实验用的是同一个时钟，光传播的距离也更长。光速太快了。

伽利略虽然第一次尝试受挫，但他发明了望远镜，观测到了木星及其几颗主要卫星，并表示木星的卫星经常消失，可以用来测量黄色直径。这些作品启发了后来的一位科学家，证明了光速就是这样被限制的。这个人是年轻的丹麦科学家罗默。罗默出生在奥胡斯，在哥本哈根接受教育，后来搬到巴黎。在罗默来到巴黎的30年前，意大利天文学家卡西尼也应路易十四的邀请来到巴黎。他对木星系统进行了长期系统的观察和研究。他告诉人们，木星和地球一样，也是绕太阳运行的行星，但它绕太阳运行的周期是12年。它的周围有12颗卫星，其中四颗特别亮，地球上的人借助望远镜可以清楚地看到它们的位置。因为这些卫星围绕木星运行，每隔一段时间就会被木星遮挡一次，而木星最近的卫星第二次被木星遮挡的平均时间间隔是42小时28分16秒。经过仔细的观察和测量，罗默发现这个时间间隔在一年中的所有时间都不完全相同，当木星的视角变小时，这个时间间隔大于平均值。

1676年9月，罗默向巴黎科学院宣布，原本预计在10月9日5:25:45+65438发生的欧罗巴食将推迟10分钟。巴黎天文台的天文学家对罗默的神秘预言表示怀疑，但进行了观测，证实了木卫二食物的延迟。165438+10月22日罗默解释了这一现象，因为光穿过地球轨道需要时间，最长可达22分钟。后来惠更斯利用罗默数据和地球轨道直径数据，首次计算出光速为2×108 m/s。

1681年，罗默被克里斯蒂安五世召回丹麦，成为丹麦皇家学会的天文学家。此后，人们不知道他的工作有了什么新的进展，他留下的观测数据也在1728哥本哈根的大火中被烧成了灰烬。直到18世纪，他的理论才被格林威治天文台的一位天文学家和牛津大学的一位教授以意想不到的方式证实。

1928年9月的一天，布拉德利教授和他的同事们沿着泰晤士河航行。教授站在船的甲板上，看着桅杆上不时改变方向的风向标。这很奇怪。风向会一直这样变吗？一名水手向他解释说，船正在改变航向，风向没有改变。这个回答启发了教授，他马上想到既然船的航行会改变人们对风向的观察，那么地球上人们看到的光的传播方向也会因为地球的运动而改变。因此，他将这一新发现与自己的研究工作结合起来，解决了一个长期困扰的问题。

在观察一颗恒星的视差时，教授惊讶地发现，遥远的恒星在天球上画出一个周期为一年的小椭圆。他一直无法解释这种现象，现在他明白了，这就是“失常”现象。从遥远的恒星S传输到地球的光粒子类似于垂直下落的雨滴。当我们向前奔跑时，我们感觉到雨滴正斜向我们袭来。同理，地面上的望远镜被地球向前移动。为了使光粒子穿过镜筒，被观测者看到，镜筒必须向前倾斜一个合适的角度α，这样看来，恒星的位置是在S '方向。一年之内，观测者可以在地球轨道的不同位置观测到这颗恒星，他们可以看到它的位置S '在天球上做了一个小圆。

显然，当观察者通过倾斜的透镜管观察恒星的光线时，可以通过描述其倾斜度的正切来计算光速。用这种方法得到的光速为3.03×108 m/s，比惠更斯计算的值领先一步。虽然天文方法已经成功地测量了光速，但物理学家并不认为这个光速是相当准确的。因为这种方法虽然在原理上无可挑剔，但是在计算上还是要依赖一些天文数据，而这些数据本身就不是很准确。于是在19世纪，科学家们开始讨论在地面上测量光速的可能性。因为光速极高，所以测量必须花费很长的距离或很短的时间。对于地面观测来说，精确测量一个很短的时间间隔是问题的关键。在地面上测量光速的巧妙实验都是围绕这个主题设计的。法国科学家自由灵魂和福柯在这一领域做出了开创性的工作。巧合的是，这两位大师都出生于1819年的巴黎。年轻的时候，他们选择了物理作为专业，他们也成为了最初研究的合作伙伴。自由灵魂出生在一个非常富有的家庭，继承了一大笔遗产。他本可以用这一大笔钱去找乐子，但他没有，用他的财产做研究经费。1849年，他首次用“齿轮法”成功测量了地面上的光速。Free soul让光源发出的光通过旋转齿轮之间的缝隙，然后通过镜头变成平行光束。这种光束聚焦到安装在一定距离的平面镜上，被平面镜反射，然后反方向回到齿轮上，进入观察者的眼睛。

当齿轮以一定的速度旋转时，观察者不会看到返回的光，因为当光从齿轮到达平面镜后再返回齿轮时，正好被下一个齿遮住。如果把轮子的速度提高1倍，就会再次看到光斑，因为返回的光正好穿过下一个齿隙。如果轮子的光速是c，齿轮到平面镜的距离是l，那么，就进行了。齿轮数为720，计算光速为313300km/s。

1850年，法国物理学家福柯设计了一个旋转镜，并让它以一定的速度旋转，使它在光从静止的镜子发出和反射的这段时间里刚好旋转一周。这样，光来回传播所用的时间就可以精确地测量出来，光速就可以计算出来了。经过多次实验，傅科测得的平均光速等于2.98×108 m/s，值得一提的是，傅科还将整个装置注满水，测量了光速在水中的速度。他发现，光在水中的速度与在空气中的速度之比大约等于3/4，就像它等于水和空气的折射率之比一样。光速在水中比在真空中慢，这与粒子理论的预测相反。然而，戏剧性的事实是，大多数物理学家已经接受了光的波动理论，所以这个实验结果只是对粒子理论的一个迟到的吊唁。

此后不久，科尼、纽康和迈克尔逊都做了测量光速的出色实验。近年来最精确的测量表明，真空中光速为每秒299792456.2米，估算误差为每秒1米或0.00001%。

光速真的很神奇。它可以每秒钟绕地球七周半。然而，与浩瀚无垠的宇宙相比，它又显得非常缓慢。地球与太阳的距离为1.5亿公里，太阳发出的光照射到地球上需要8分20秒。来自其他星球的光到达地球需要更长的时间。因此，在天文学中，光年常被用作测量长度和测量恒星间距离的单位。1光年是光在一年内走过的距离，约为9.46×1015米。织女星距离地球大约2.6×1017米，所以你可以看到织女星发出的光其实是在大约28年半前发出的。如果乘坐以光速飞行的宇宙飞船，到现代射电望远镜可以观测到的太空边缘，需要100亿年。