光速是物理學(xué)中最重要的基本常數(shù)之一，也是所有各種頻率的電磁波在真空中的傳播速度．狹義相對(duì)論認(rèn)為：任何信號(hào)和物體的速度都不能超過真空中的光速．在折射率為n的介質(zhì)中，光的傳播速度為：v=c/n．在光學(xué)和物理學(xué)的發(fā)展歷史上，光速的測(cè)定，一直是許多科學(xué)家為之探索的課題．許多光速測(cè)量方法那巧妙的構(gòu)思、高超的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一直在啟迪著后人的物理學(xué)研究．歷史上光速測(cè)量方法可以分為天文學(xué)測(cè)量方法、大地測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法等
一、光速測(cè)定的天文學(xué)方法

1．羅默的衛(wèi)星蝕法

光速的測(cè)量，首先在天文學(xué)上獲得成功，這是因?yàn)橛钪鎻V闊的空間提供了測(cè)量光速所需要的足夠大的距離．早在1676年丹麥天文學(xué)家羅默（1644—1710）首先測(cè)量了光速．由于任何周期性的變化過程都可當(dāng)作時(shí)鐘，他成功地找到了離觀察者非常遙遠(yuǎn)而相當(dāng)準(zhǔn)確的“時(shí)鐘”，羅默在觀察時(shí)所用的是木星每隔一定周期所出現(xiàn)的一次衛(wèi)星蝕．他在觀察時(shí)注意到：連續(xù)兩次衛(wèi)星蝕相隔的時(shí)間，當(dāng)?shù)厍虮畴x木星運(yùn)動(dòng)時(shí)，要比地球迎向木星運(yùn)動(dòng)時(shí)要長一些，他用光的傳播速度是有限的來解釋這個(gè)現(xiàn)象．光從木星發(fā)出（實(shí)際上是木星的衛(wèi)星發(fā)出），當(dāng)?shù)厍螂x開木星運(yùn)動(dòng)時(shí)，光必須追上地球，因而從地面上觀察木星的兩次衛(wèi)星蝕相隔的時(shí)間，要比實(shí)際相隔的時(shí)間長一些；當(dāng)?shù)厍蛴�向木星運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)時(shí)間就短一些．因?yàn)樾l(wèi)星繞木星的周期不大（約為1.75天），所以上述時(shí)間差數(shù)，在最合適的時(shí)間（上圖中地球運(yùn)行到軌道上的A和A’兩點(diǎn)時(shí)）不致超過15秒（地球的公轉(zhuǎn)軌道速度約為30千米/秒）．因此，為了取得可靠的結(jié)果，當(dāng)時(shí)的觀察曾在整年中連續(xù)地進(jìn)行．羅默通過觀察從衛(wèi)星蝕的時(shí)間變化和地球軌道直徑求出了光速．由于當(dāng)時(shí)只知道地球軌道半徑的近似值，故求出的光速只有214300km/s．這個(gè)光速值盡管離光速的準(zhǔn)確值相差甚遠(yuǎn)，但它卻是測(cè)定光速歷史上的第一個(gè)記錄．后來人們用照相方法測(cè)量木星衛(wèi)星蝕的時(shí)間，并在地球軌道半徑測(cè)量準(zhǔn)確度提高后，用羅默法求得的光速為299840±60km/s．

2．布萊德雷的光行差法

1728年，英國天文學(xué)家布萊德雷（1693—1762）采用恒星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量．布萊德雷在地球上觀察恒星時(shí)，發(fā)現(xiàn)恒星的視位置在不斷地變化，在一年之內(nèi)，所有恒星似乎都在天頂上繞著半長軸相等的橢圓運(yùn)行了一周．他認(rèn)為這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于恒星發(fā)出的光傳到地面時(shí)需要一定的時(shí)間，而在此時(shí)間內(nèi)，地球已因公轉(zhuǎn)而發(fā)生了位置的變化．他由此測(cè)得光速為：

C=299930千米/秒

這一數(shù)值與實(shí)際值比較接近．

以上僅是利用天文學(xué)的現(xiàn)象和觀察數(shù)值對(duì)光速的測(cè)定，而在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)限于當(dāng)時(shí)的條件，測(cè)定光速尚不能實(shí)現(xiàn)．

     二、光速測(cè)定的大地測(cè)量方法

光速的測(cè)定包含著對(duì)光所通過的距離和所需時(shí)間的量度，由于光速很大，所以必須測(cè)量一個(gè)很長的距離和一個(gè)很短的時(shí)間，大地測(cè)量法就是圍繞著如何準(zhǔn)確測(cè)定距離和時(shí)間而設(shè)計(jì)的各種方法．

1．伽利略測(cè)定光速的方法

物理學(xué)發(fā)展史上，最早提出測(cè)量光速的是意大利物理學(xué)家伽利略．1607年在他的實(shí)驗(yàn)中，讓相距甚遠(yuǎn)的兩個(gè)觀察者，各執(zhí)一盞能遮閉的燈，如圖所示：觀察者A打開燈光，經(jīng)過一定時(shí)間后，光到達(dá)觀察者B，B立即打開自己的燈光，過了某一時(shí)間后，此信號(hào)回到A，于是A可以記下從他自己開燈的一瞬間，到信號(hào)從B返回到A的一瞬間所經(jīng)過的時(shí)間間隔t．若兩觀察者的距離為S，則光的速度為

c=2s/t

因?yàn)楣馑俸艽螅�加之觀察者還要有一定的反應(yīng)時(shí)間，所以伽利略的嘗試沒有成功．如果用反射鏡來代替B，那么情況有所改善，這樣就可以避免觀察者所引入的誤差．這種測(cè)量原理長遠(yuǎn)地保留在后來的一切測(cè)定光速的實(shí)驗(yàn)方法之中．甚至在現(xiàn)代測(cè)定光速的實(shí)驗(yàn)中仍然采用．但在信號(hào)接收上和時(shí)間測(cè)量上，要采用可靠的方法．使用這些方法甚至能在不太長的距離上測(cè)定光速，并達(dá)到足夠高的精確度．

2．旋轉(zhuǎn)齒輪法

用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定光速首先是在1849年由斐索實(shí)驗(yàn)．他用定期遮斷光線的方法（旋轉(zhuǎn)齒輪法）進(jìn)行自動(dòng)記錄．實(shí)驗(yàn)示意圖如下．從光源s發(fā)出的光經(jīng)會(huì)聚透鏡L1射到半鍍銀的鏡面A，由此反射后在齒輪W的齒a和a’之間的空隙內(nèi)會(huì)聚，再經(jīng)透鏡L2和L3而達(dá)到反射鏡M，然后再反射回來．又通過半鍍鏡A由L4集聚后射入觀察者的眼睛E．如使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，那么在光達(dá)到M鏡后再反射回來時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間△t內(nèi)，齒輪將轉(zhuǎn)過一個(gè)角度．如果這時(shí)a與a’之間的空隙為齒a（或a’）所占據(jù)，則反射回來的光將被遮斷，因而觀察者將看不到光．但如齒輪轉(zhuǎn)到這樣一個(gè)角度，使由M鏡反射回來的光從另一齒間空隙通過，那么觀察者會(huì)重新看到光，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)得更快，反射光又被另一個(gè)齒遮斷時(shí)，光又消失．這樣，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速由零而逐漸加快時(shí)，在E處將看到閃光．由齒輪轉(zhuǎn)速v、齒數(shù)n與齒輪和M的間距L可推得光速c=4nvL．

在斐索所做的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)具有720齒的齒輪，一秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)12.67次時(shí)，光將首次被擋住而消失，空隙與輪齒交替所需時(shí)間為

在這一時(shí)間內(nèi)，光所經(jīng)過的光程為2×8633米，所以光速c=2×8633×18244=3.15×108（m/s）．

在對(duì)信號(hào)的發(fā)出和返回接收時(shí)刻能作自動(dòng)記錄的遮斷法除旋轉(zhuǎn)齒輪法外，在現(xiàn)代還采用克爾盒法．1941年安德孫用克爾盒法測(cè)得：c=299776±6km/s，1951年貝格斯格蘭又用克爾盒法測(cè)得c=299793.1±0.3km/s．

3．旋轉(zhuǎn)鏡法

旋轉(zhuǎn)鏡法的主要特點(diǎn)是能對(duì)信號(hào)的傳播時(shí)間作精確測(cè)量．1851年傅科成功地運(yùn)用此法測(cè)定了光速．旋轉(zhuǎn)鏡法的原理早在1834年1838年就已為惠更斯和阿拉果提出過，它主要用一個(gè)高速均勻轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡面來代替齒輪裝置．由于光源較強(qiáng)，而且聚焦得較好．因此能極其精密地測(cè)量很短的時(shí)間間隔．實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．從光源s所發(fā)出的光通過半鍍銀的鏡面M1后，經(jīng)過透鏡L射在繞O軸旋轉(zhuǎn)的平面反射鏡M2上O軸與圖面垂直．光從M2反射而會(huì)聚到凹面反射鏡M3上，M3的曲率中心恰在O軸上，所以光線由M3對(duì)稱地反射，并在s′點(diǎn)產(chǎn)生光源的像．當(dāng)M2的轉(zhuǎn)速足夠快時(shí)，像S′的位置將改變到s〃，相對(duì)于可視M2為不轉(zhuǎn)時(shí)的位置移動(dòng)了△s的距離可以推導(dǎo)出光速值：

式中w為M2轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度．l0為M2到M3的間距，l為透鏡L到光源S的間距，△s為s的像移動(dòng)的距離．因此直接測(cè)量w、l、l0、△s，便可求得光速．

在傅科的實(shí)驗(yàn)中：L=4米，L0=20米，△s=0.0007米，W=800×2π弧度/秒，他求得光速值c=298000±500km/s．

另外，傅科還利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本原理，首次測(cè)出了光在介質(zhì)（水）中的速度v＜c，這是對(duì)波動(dòng)說的有力證據(jù)．

3．旋轉(zhuǎn)棱鏡法

邁克耳遜把齒輪法和旋轉(zhuǎn)鏡法結(jié)合起來，創(chuàng)造了旋轉(zhuǎn)棱鏡法裝置．因?yàn)辇X輪法之所以不夠準(zhǔn)確，是由于不僅當(dāng)齒的中央將光遮斷時(shí)變暗，而且當(dāng)齒的邊緣遮斷光時(shí)也是如此．因此不能精確地測(cè)定象消失的瞬時(shí)．旋轉(zhuǎn)鏡法也不夠精確，因?yàn)樵谠摲ㄖ邢蟮奈灰啤鱯太小，只有0.7毫米，不易測(cè)準(zhǔn)．邁克耳遜的旋轉(zhuǎn)鏡法克服了這些缺點(diǎn)．他用一個(gè)正八面鋼質(zhì)棱鏡代替了旋轉(zhuǎn)鏡法中的旋轉(zhuǎn)平面鏡，從而光路大大的增長，并利用精確地測(cè)定棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)速度代替測(cè)齒輪法中的齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)出光走完整個(gè)路程所需的時(shí)間，從而減少了測(cè)量誤差．從1879年至1926年，邁克耳遜曾前后從事光速的測(cè)量工作近五十年，在這方面付出了極大的勞動(dòng)．1926年他的最后一個(gè)光速測(cè)定值為

c=299796km/s

這是當(dāng)時(shí)最精確的測(cè)定值，很快成為當(dāng)時(shí)光速的公認(rèn)值．

三、光速測(cè)定的實(shí)驗(yàn)室方法

光速測(cè)定的天文學(xué)方法和大地測(cè)量方法，都是采用測(cè)定光信號(hào)的傳播距離和傳播時(shí)間來確定光速的．這就要求要盡可能地增加光程，改進(jìn)時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性．這在實(shí)驗(yàn)室里一般是受時(shí)空限制的，而只能在大地野外進(jìn)行，如斐索的旋輪齒輪法當(dāng)時(shí)是在巴黎的蘇冷與達(dá)蒙瑪特勒相距8633米的兩地進(jìn)行的．傅科的旋轉(zhuǎn)鏡法當(dāng)時(shí)也是在野外，邁克耳遜當(dāng)時(shí)是在相距35373．21米的兩個(gè)山峰上完成的．現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使人們可以使用更小更精確地實(shí)驗(yàn)儀器在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行光速的測(cè)量．

1．微波諧振腔法

1950年埃森最先采用測(cè)定微波波長和頻率的方法來確定光速．在他的實(shí)驗(yàn)中，將微波輸入到圓柱形的諧振腔中，當(dāng)微波波長和諧振腔的幾何尺寸匹配時(shí)，諧振腔的圓周長πD和波長之比有如下的關(guān)系：πD=2.404825λ，因此可以通過諧振腔直徑的測(cè)定來確定波長，而直徑則用干涉法測(cè)量；頻率用逐級(jí)差頻法測(cè)定．測(cè)量精度達(dá)10-7．在埃森的實(shí)驗(yàn)中，所用微波的波長為10厘米，所得光速的結(jié)果為299792.5±1km/s．

2．激光測(cè)速法

1790年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局和美國國立物理實(shí)驗(yàn)室最先運(yùn)用激光測(cè)定光速．這個(gè)方法的原理是同時(shí)測(cè)定激光的波長和頻率來確定光速（c=νλ）．由于激光的頻率和波長的測(cè)量精確度已大大提高，所以用激光測(cè)速法的測(cè)量精度可達(dá)10-9，比以前已有最精密的實(shí)驗(yàn)方法提高精度約100倍．

四、光速測(cè)量方法一覽表

除了以上介紹的幾種測(cè)量光速的方法外，還有許多十分精確的測(cè)定光速的方法．現(xiàn)將不同方法測(cè)定的光速值列為“光速測(cè)量一覽表”供參考．

根據(jù)1975年第十五屆國際計(jì)量大會(huì)的決議，現(xiàn)代真空中光速的最可靠值是：

c=299792.458±0.001km/s
 
 

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