劉聲遠(yuǎn)

它是宇宙的速度極限，也是我們借以認(rèn)識(shí)宇宙的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。不過(guò)，為了確定這個(gè)數(shù)值，科學(xué)家們真是很下了一番功夫。

古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得相信，我們之所以能看見事物，是因?yàn)檠劬Πl(fā)出了光線。大英雄亞歷山大宣稱，因?yàn)槲覀円槐犙劬湍芸匆娺b遠(yuǎn)的星星，說(shuō)明星星發(fā)出的光不到眨眼工夫就已進(jìn)入我們眼中，所以光速必定是無(wú)限大的。11世紀(jì)，巴士拉數(shù)學(xué)家艾爾哈贊發(fā)表了自己的《光學(xué)專著》，其重要性堪比牛頓的《數(shù)學(xué)原理》。艾爾哈贊在這本書中稱，取決于光所穿越的介質(zhì)的不同，光的速度也不同，并且光速是有限的。光在空氣中穿越的速度，大于它穿越水和玻璃的速度。

人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)不斷增長(zhǎng)。13世紀(jì)，英國(guó)人羅杰·培根利用艾爾哈贊有關(guān)光的理論來(lái)支持這樣一個(gè)理論：光速很快，比音速還快，但并非無(wú)限大。當(dāng)時(shí)還有一種觀點(diǎn)：光在空曠太空中的穿行速度可能是無(wú)限大的，但是在介質(zhì)中光速會(huì)減緩。到了17世紀(jì)，像德國(guó)科學(xué)家開普勒和法國(guó)哲學(xué)家德斯卡特斯之類的科學(xué)名人，堅(jiān)持認(rèn)為光速無(wú)限大。開普勒指出，實(shí)際情況必定如此，因?yàn)榭諘绲奶詹粫?huì)阻攔光的穿越。德斯卡特斯的結(jié)論則是基于實(shí)際觀測(cè)：如果光的穿行速度是有限的，那么在一次月食期間，太陽(yáng)、地球和月球就不會(huì)排成一線，但實(shí)際情況相反，反過(guò)來(lái)就證明了光速是無(wú)限的。

也正是到了這個(gè)時(shí)候，人們首次嘗試對(duì)光速進(jìn)行直接測(cè)量。1629年，荷蘭哲學(xué)家伊薩克·比克曼提議進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：在大約1600米外用鏡子反射炮彈閃光，測(cè)量光反射回來(lái)所花的時(shí)間?？茖W(xué)家伽利略則獨(dú)立提議了一個(gè)類似的實(shí)驗(yàn)：讓他的學(xué)生把一盞點(diǎn)亮的燈籠帶到大約1600米外，測(cè)量燈籠亮光到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都未能檢測(cè)到任何遲延，從而證實(shí)了一種看似正確的偏見：光速的確是無(wú)限快的。

憑借我們今天對(duì)光速的認(rèn)識(shí)，我們知道在上述兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中光的往返時(shí)間只有大約十萬(wàn)分之一秒。這低于人體最快的反應(yīng)時(shí)間，所以觀測(cè)者測(cè)量不到任何遲延。與之對(duì)比，行星之間的距離如此之大，以至于光在兩顆行星之間的旅行要花好幾分鐘時(shí)間。為了測(cè)量光速，根本要求是找到某種合適的參照物。

在巴黎，喬萬(wàn)尼·卡西尼一直在觀測(cè)木星的衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱木衛(wèi)），它們都在各自軌道中一會(huì)兒消失于木星背后，一會(huì)兒又重新出現(xiàn)在木星前方。他的測(cè)量結(jié)果有差異，他把這歸因于光速是有限的。丹麥天文學(xué)家奧勒·羅默隨即也投身于此。他在1676年注意到，依娥（木衛(wèi)一，也是最靠近木星的衛(wèi)星）重新出現(xiàn)在木星前方所花的時(shí)間，在地球靠近木星期間少于地球離開木星期間（地球與木星之間存在相對(duì)接近和相對(duì)遠(yuǎn)離的運(yùn)動(dòng)）。這證實(shí)了卡西尼的猜測(cè)——當(dāng)?shù)厍蛳蚰拘强拷鼤r(shí)，地球與木星之間的距離越來(lái)越近，光線穿越的距離也越來(lái)越短，因此到達(dá)的時(shí)間也相對(duì)早。相反，在地球離開木星的過(guò)程中，光線穿越的距離增加，到達(dá)得也相對(duì)晚。羅默的測(cè)量以及他對(duì)地球運(yùn)動(dòng)相關(guān)性的發(fā)現(xiàn)，使得他被認(rèn)可為光速有限的證明者。1690年，荷蘭數(shù)學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯使用羅默的估計(jì)值，算出的光速是大約每秒22萬(wàn)千米，即為現(xiàn)代這一數(shù)值的70%。

測(cè)量光速故事的下一步再度涉及天文學(xué)，具體而言，是涉及光的像差。什么是光的像差呢？不妨用一個(gè)大家熟悉的現(xiàn)象——在雨中移動(dòng)以保持干燥——來(lái)說(shuō)明。當(dāng)你靜止時(shí)，雨滴是垂直下落的（沒有風(fēng)的時(shí)候）；而在你往前走時(shí)，雨滴卻好像是從你前方的某個(gè)點(diǎn)落下的，你得把雨傘往前傾斜一點(diǎn)才能不被淋著。現(xiàn)在，把降落的雨想象為來(lái)自遙遠(yuǎn)星球的光線，把你在雨中的移動(dòng)設(shè)想成地球在太空中的運(yùn)動(dòng)。那么，由于上述現(xiàn)象即像差的存在，這顆恒星的視位置會(huì)不斷改變。

1729年，英國(guó)皇家天文學(xué)家詹姆斯·布蘭德利發(fā)現(xiàn)了像差現(xiàn)象。他測(cè)量了天龍星座的一顆恒星，發(fā)現(xiàn)它的視位置首先南移，然后北移，周期為6個(gè)月。盡管這一運(yùn)動(dòng)的幅度只約為0.01°，但運(yùn)用18世紀(jì)的設(shè)備卻已經(jīng)能測(cè)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(yáng)公轉(zhuǎn)的速度）的1.02萬(wàn)倍，即光速大約是每秒29.5萬(wàn)千米。這一數(shù)值距離現(xiàn)代光速測(cè)定值只有約2%的誤差。

為了測(cè)定很高的速度，要么需要像天文學(xué)中那樣的遙遠(yuǎn)距離，要么需要測(cè)量極小時(shí)間間隔的能力。1849年，法國(guó)物理學(xué)家路易·菲佐在后一方面找到了一種在地球上測(cè)量光速的方法。他在一只迅速旋轉(zhuǎn)的齒輪的齒縫間發(fā)射光線，8000米外的一面鏡子把光線反射回來(lái)。如果光線通過(guò)齒縫，它會(huì)被看見；但如果它擊中鋸齒，它就不會(huì)被看見（顯示為黑暗）。他改變齒輪轉(zhuǎn)速，由此就能確定光線往返所花時(shí)間。由于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(wàn)千米。1862年，法國(guó)科學(xué)家利昂·傅科運(yùn)用相似理念，但改用旋轉(zhuǎn)的鏡子來(lái)測(cè)量光線偏轉(zhuǎn)的角度，由此算出的光速是每秒29.9796萬(wàn)千米，與現(xiàn)代光速值——每秒29.9792萬(wàn)千米已經(jīng)相當(dāng)接近。

1865年，蘇格蘭數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋發(fā)表了自己對(duì)電磁波的研究結(jié)果。按照他的理論，光是電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的一種波——電磁波。在任何一種電磁波中，一個(gè)電場(chǎng)消失，一個(gè)磁場(chǎng)出現(xiàn)，反之亦然，不斷重復(fù)。自由空間對(duì)電磁波的阻力，被稱為自由空間的介電常數(shù)；自由空間對(duì)磁場(chǎng)的阻力，則被稱為自由空間的導(dǎo)磁常數(shù)。在麥克斯韋理論中，光速是與這些數(shù)值有關(guān)的。電場(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)回振蕩的容易程度，決定著電磁波穿越的速度。這些數(shù)值的乘積，與光速平方成反比。

由此看來(lái)，從某種意義上說(shuō)，開普勒在幾百年前的推測(cè)是正確的。按照麥克斯韋的理論，如果空間沒有任何阻力，光速就確實(shí)會(huì)是無(wú)限大的。但事實(shí)上，空間是有阻力的。19世紀(jì)末，根據(jù)麥克斯韋方程式算出的光速數(shù)值是每秒29.9788萬(wàn)千米，與現(xiàn)代光速值——每秒29.9792萬(wàn)千米更加接近了。

1887年，美國(guó)人艾伯特·麥克爾森和愛德華·莫里嘗試測(cè)量地球在“以太”（當(dāng)時(shí)被相信彌漫于所有空間的一種介質(zhì)）中的穿行速度，方法是測(cè)量光在兩個(gè)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(zhuǎn)90°，卻又不受阻礙地繼續(xù)前行。沿著光的路徑反射兩根光柱，并且重組它們，任何速度差都會(huì)通過(guò)兩個(gè)波的異相而顯現(xiàn)——波峰和波谷之間的不匹配會(huì)顯示為一系列明暗條紋，稱為干涉圖像。

麥克爾森和莫里的實(shí)驗(yàn)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，不取決于任何方向。接著，這讓愛因斯坦確信以太并不存在，或者并不以當(dāng)時(shí)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(duì)論。感謝愛因斯坦——對(duì)光速的精確測(cè)量，讓他提出了對(duì)時(shí)間和空間本質(zhì)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(gè)有質(zhì)量的物體能達(dá)到真空中的光速，而任何沒有質(zhì)量的微粒在真空中的速度都必定是光速。然而，光在通過(guò)一種透明介質(zhì)（例如水和玻璃）時(shí)會(huì)減速；有可能讓粒子（例如電子）穿越介質(zhì)的速度快于光穿越介質(zhì)的速度，但仍然低于光在真空中的速度——光速的絕對(duì)極限值。

電磁波的速度與光速符合，這證明可見光、無(wú)線電波、X射線及更多的波都是波長(zhǎng)和頻率不同的電磁波。在激光器發(fā)明之前的20世紀(jì)50年代，多名科學(xué)家使用空腔共振器對(duì)電磁波的頻率和波長(zhǎng)各自進(jìn)行了測(cè)量，得到的波速是每秒29.7992萬(wàn)千米，誤差是每秒3千米。我們不妨對(duì)此做一種現(xiàn)代版的演示。把一條巧克力放入沒有轉(zhuǎn)盤的微波爐中，在微波強(qiáng)度最大的點(diǎn)位，巧克力被加熱的速度也最快。兩個(gè)連續(xù)“最熱點(diǎn)位”之間距離是微波波長(zhǎng)的一半。用微波頻率（一般是2450兆赫茲）乘以波長(zhǎng)，得到的就是光速——盡管它比20世紀(jì)50年代實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的光速還是要慢些。

現(xiàn)代超長(zhǎng)距離光速測(cè)量涉及發(fā)射無(wú)線電信號(hào)到不同的飛行器，這些飛行器在太陽(yáng)系中的位置被精確測(cè)定，其中要考慮太陽(yáng)和各行星引力。用這種方法測(cè)定的光速準(zhǔn)確度，可達(dá)一千億分之二。麥克爾森-莫里技術(shù)的現(xiàn)代版本使用的是激光柱，它們的頻率已知非常精確。當(dāng)激光柱被分成兩條路徑并且重組后，能夠解碼干涉圖像以確定光的波長(zhǎng)。波速就是波長(zhǎng)和頻率的乘積。1972年，這導(dǎo)致光速測(cè)量的精確度高于二千五百億分之一。

今天，使用更先進(jìn)的高度穩(wěn)定激光和利用原子鐘測(cè)量時(shí)間間隔，科學(xué)家得到的光速測(cè)量最精確值是每秒29.979 245 8萬(wàn)千米，不確定值僅為每秒1米。其中，秒可以通過(guò)原子鐘來(lái)精確定義，光速中的不確定性主要是由定義1米的準(zhǔn)確度帶來(lái)的。1983年，科學(xué)界同意把光速“固定”在上述值，于是米的定義就是：真空中光在1秒里穿行距離的299 792 458分之一。

在過(guò)去的幾百年中，物理學(xué)家們一直致力于測(cè)量光相對(duì)于宇宙時(shí)空的速度，而今天的科學(xué)家則不同，他們是從光速中確定宇宙時(shí)空的特性。

一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)

最靠近木星的木衛(wèi)——依娥（木衛(wèi)一），每42.5小時(shí)環(huán)繞木星一周。從地球上看去，依娥周期性地消失于木星背后，稍后又再度出現(xiàn)。科學(xué)家相信，交食（指一個(gè)天體經(jīng)過(guò)另一個(gè)天體前方，將后者部分或完全擋住的現(xiàn)象）之間的時(shí)間間隔應(yīng)該是一樣長(zhǎng)的。

然而，當(dāng)喬萬(wàn)尼·卡西尼在1671年觀測(cè)依娥與木星交食時(shí)，發(fā)現(xiàn)其時(shí)間間隔是變化的。他認(rèn)識(shí)到，這可能是因?yàn)楣饩€從木星旅行到地球需要花時(shí)間，在此期間地球會(huì)運(yùn)動(dòng)，所以根據(jù)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(yuǎn)鏡時(shí)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(lái)并不相信自己的直覺，而他的助手奧勒·羅默自己進(jìn)行了這方面的觀測(cè)。當(dāng)羅默把自己的觀測(cè)與卡西尼的觀測(cè)合并后，他意識(shí)到這些變化與地球和木星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)相關(guān)。他進(jìn)行了很長(zhǎng)的一系列觀測(cè)，證明了自己的猜想，并由此估計(jì)光速超過(guò)每秒22萬(wàn)千米（而他的同事惠更斯算出的光速也大約是每秒22萬(wàn)千米）。對(duì)當(dāng)時(shí)的許多人來(lái)說(shuō)，這么大的數(shù)值難以想象，簡(jiǎn)直堪稱無(wú)限快。因此，羅默的這一估計(jì)在當(dāng)時(shí)并未被普遍接受。一直到英國(guó)天文學(xué)家詹姆斯·布蘭德利通過(guò)恒星像差測(cè)量光速，羅默的光速理論才終于被認(rèn)可。

主要人物

他們是在過(guò)去幾百年中思考過(guò)光速問題的一些偉人。

艾爾哈贊（964～1040）

從1011～1020年，這位出生在巴士拉（今伊拉克）境內(nèi)、長(zhǎng)期住在開羅的數(shù)學(xué)家撰寫了《光學(xué)專著》共7冊(cè)。它們?cè)?2世紀(jì)被譯成拉丁文，很大程度上影響了西方世界對(duì)彩虹和光學(xué)的認(rèn)識(shí)。英國(guó)哲學(xué)家羅杰·培根（1214～1294）是受到艾爾哈贊影響的學(xué)者之一，他卻常被誤認(rèn)為是艾爾哈贊理論的原創(chuàng)者。

伽利略·加里雷（1564～1642）

這位意大利科學(xué)多面手常被視為現(xiàn)代科學(xué)之父，他的工作導(dǎo)致了力學(xué)理論的創(chuàng)建。他還對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了多方面改進(jìn)，并且建立了觀測(cè)天文學(xué)。他提出行星繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，太陽(yáng)位于太陽(yáng)系中心。

奧勒·羅默（1644～1710）

在他作為卡西尼（1625～1712）在巴黎的助手期間，這位丹麥天文學(xué)家觀測(cè)了木星的衛(wèi)星（木衛(wèi)）。盡管卡西尼想到了觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示光速是有限的，但證明這一點(diǎn)的人卻是羅默。

利昂·傅科（1819～1868）

除了他自己在光速測(cè)量方面的工作，以及證明光在水中的速度低于在空氣中的速度之外，這位法國(guó)物理學(xué)家還以“傅科擺”聞名?！案悼茢[”為觀察地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)提供了一種實(shí)用方法。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（1831～1879）

這位蘇格蘭科學(xué)家以一種理論一統(tǒng)電和磁的所有已知現(xiàn)象，這個(gè)理論預(yù)測(cè)了電磁波的存在。電磁波的速度與光速符合，這證明可見光、無(wú)線電波、X射線及更多的波都是波長(zhǎng)和頻率不同的電磁波。

重要術(shù)語(yǔ)

光行差

也叫光像差，是指一顆恒星看起來(lái)在其實(shí)際位置附近移動(dòng)的現(xiàn)象。它是光速有限和地球運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

原子鐘

利用原子鐘測(cè)量時(shí)間是迄今為止測(cè)量時(shí)間的最精確方法。它使用的是微波信號(hào)的頻率。當(dāng)原子里的電子改變能級(jí)時(shí)，它們會(huì)發(fā)射微波信號(hào)。

空腔共振器

它是中空而兩端封閉的導(dǎo)體。電磁波沿著這根導(dǎo)體穿行和來(lái)回反射。在一個(gè)長(zhǎng)度合適的共振器里，一個(gè)特定頻率的波會(huì)被放大。

電容率

是顯示電介質(zhì)極化性質(zhì)的宏觀物理量。又稱介電常量。定義為電位移和電場(chǎng)強(qiáng)度之比。電容率可用電容器確定，電容器是儲(chǔ)存電荷的裝置。

導(dǎo)磁率

是指一種物質(zhì)（包括空曠空間）被磁化的難易程度。導(dǎo)磁率和電容率乘積等于光速平方數(shù)的倒數(shù)。

時(shí)間線條

科學(xué)家花了300年時(shí)間，設(shè)計(jì)出越來(lái)越準(zhǔn)確的辦法來(lái)測(cè)量光速。

1690年 基于奧勒·羅默證明光速有限，他的同事克里斯蒂安·惠更斯算出的光速大約是每秒22萬(wàn)千米。

1862年 法國(guó)物理學(xué)家利昂·傅科使用旋轉(zhuǎn)鏡面，算出光速為每秒29.9796萬(wàn)千米。

1865年 詹姆斯·麥克斯韋證明光是一種電磁波，使得光速可由已知的空間特性計(jì)算出。

1905年 光速不取決于光源速度或觀測(cè)者的觀念，構(gòu)成了愛因斯坦狹義相對(duì)論的根基。

1972年 一束激光被用來(lái)測(cè)量一個(gè)氪原子的一根特定光譜線的頻率。通過(guò)重組這一信息和長(zhǎng)度單位米的定義，真空中光速被測(cè)定至十億分之一的精度：每秒299，792，458米，精確到每秒1米。

1983年 光速被最終確定下來(lái)。于是，1米現(xiàn)在被定義為真空中光在1秒里穿行距離的299 792 458分之1。