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大家都知道：光的傳(chuan) 播速度非常快，一秒鍾就能走30萬(wan) 公裏，一秒鍾就可以繞地球七圈半。這麽(me) 快的速度，人類是如何測量的呢？

一.伽利略的測量

在古希臘時代，對於(yu) 光速的數量級，人們(men) 並不是很清楚。一些科學家，比如亞(ya) 裏士多德，甚至認為(wei) 光速是無限大的。更好玩的是，有人認為(wei) ：光是從(cong) 眼睛中發射出來的，我們(men) 一睜眼就能看到遙遠的星星，所以光速一定是無限大的。

文藝複興(xing) 之後，近代科學的先驅伽利略做了第一個(ge) 測量光速的實驗，當時是1638年。

伽利略和他的助手站在兩(liang) 個(ge) 相隔較遠的山頭上，每個(ge) 人手裏拿著一盞燈。伽利略首先遮住燈，助手看到伽利略遮住燈之後，立刻遮住自己的燈。伽利略的設想是測量從(cong) 遮住燈到看到助手遮住燈相差的時間，這段時間內(nei) ，光剛好在兩(liang) 人之間傳(chuan) 播了一個(ge) 來回，這樣就可以測出光速了。

然而，光速如此之快，以至於(yu) 這個(ge) 實驗根本不可能測出光速。如果不計兩(liang) 人的反應時間和遮住燈的時間，光傳(chuan) 播這段距離的時間隻需要幾微秒，以當時的設備條件無法完成測量。伽利略也承認，他沒有通過這個(ge) 實驗測出光速，也沒有判斷出光速是有限的還是無限的。不過，伽利略說：“即便光速是有限的，也一定快到不可思議。”

二.利用木星測光速

真正意義(yi) 上的光速測量是從(cong) 丹麥天文學家奧勒·羅默開始的。

1610年，伽利略利用自己改進的望遠鏡發現了木星的四顆衛星，其中木衛一最靠近木星，每42.5小時繞木星一圈。而且，木衛一的軌道平麵非常接近木星繞太陽公轉的軌道，所以，有時候木衛一會(hui) 轉到木星背麵，太陽的光無法照射到木衛一，地球上的人就看不到這顆衛星了，稱為(wei) 木衛一蝕。

我們(men) 來看一個(ge) 示意圖，地球繞著太陽A在圓軌道FGLK上逆時針運動，木衛一繞著木星B也在逆時針運動。木星背後CD之間是木星的陰影區，如果木衛一進入這部分陰影，太陽光照射不到它，人們(men) 就無法看到它。也就是說，當木衛一到達C點時就會(hui) 消失，稱為(wei) “消蹤”，如果木衛一從(cong) 陰影出來，就能夠被人觀察到，也就是木衛一到達D點時就會(hui) 出現，稱為(wei) “現蹤”。

羅默就是利用這個(ge) 現象測量光速的。

首先，我們(men) 研究地球靠近木星時發生的消蹤和現蹤現象。

當木衛一到達C點時進入陰影，這個(ge) 現象的光需要傳(chuan) 播一段距離才能到達地球。假設光從(cong) C傳(chuan) 播到地球時地球位於(yu) F點，那麽(me) 人們(men) 觀察到消蹤現象就比木衛一進入陰影時間晚了一些，這段時間等於(yu) CF長度與(yu) 光速之比。

當木衛一到達D點時走出陰影，重新反射太陽光。這個(ge) 現象也需要一段時間才能到達地球。由於(yu) 地球在運動，假設這束光到達地球時地球位於(yu) G點，那麽(me) ，人們(men) 觀察到現蹤現象也比木衛一走出陰影時間晚了一些，這段時間等於(yu) DG長度與(yu) 光速之比。

但是，由於(yu) CF比DG長，所以消蹤現象延遲比現蹤現象延遲多一些，即晚發現消蹤，早發現現蹤。消蹤與(yu) 現蹤的時間間隔比木衛一在陰影中的時間要短。我們(men) 可以用一個(ge) 線段圖表示這個(ge) 關(guan) 係。

同樣，我們(men) 可以討論地球遠離木星時的消蹤和現蹤現象。

如果地球到達L發現木星消蹤，到達K發現木星現蹤，由於(yu) 地球在遠離木星，所以LC的長度小於(yu) KD的長度，早發現消蹤，晚發現現蹤，人們(men) 觀察到消蹤和現蹤的時間間隔就會(hui) 比木衛一實際在木星陰影中的時間長。

1671年到1673年，羅默進行了多次觀測，並且得出在地球遠離木星時，消蹤、現蹤時間差比靠近時長了7分鍾，並得出了光的速度在量級的結論。

牛頓和惠更斯這兩(liang) 位科學巨匠雖然在光到底是粒子還是波的問題上爭(zheng) 執不休，但是在光速測量上都支持了羅默的方法。牛頓還測量了光從(cong) 太陽發射到地球需要8分鍾的時間，也就是說：我們(men) 看到的太陽是8分鍾以前的太陽。

三.邁克爾孫和傅科實驗

200年之後，第一個(ge) 把光速測量精度大幅提高的人是美國物理學家邁克爾孫。

1877到1879年，邁克爾孫改進了傅科發明的旋轉鏡，示意圖如下：

邁克爾孫測量光速裝置示意圖

邁克爾孫在相隔較遠的兩(liang) 處分別放置八麵鏡M1和反射裝置M2M3，讓一束光經過八麵鏡中的鏡麵1反射後發出，再通過M2和M3反射回八麵鏡，經過鏡麵3反射後進入觀察目鏡。隻有在如圖所示的位置時，觀察目鏡處才會(hui) 有光。如果八麵鏡轉動一點，經過界麵1反射的光就無法照射到M2，觀察目鏡上就看不到光了。

如果讓八麵鏡旋轉起來，並且角速度逐漸增大，會(hui) 發現某個(ge) 角速度下又可以從(cong) 觀察目鏡中看到光了。這是因為(wei) 界麵1剛好傾(qing) 斜45度角時，光線經過界麵1反射到達M2，再返回八麵鏡時，八麵鏡剛好轉動一格（1/8周期），於(yu) 是界麵2剛好跑到圖中鏡麵3的位置，將光線反射進入觀察目鏡。由於(yu) 視覺暫留現象，觀察目鏡中就好像一直可以看到光。

假設左右兩(liang) 套裝置相距為(wei) L，當八麵鏡轉動周期為(wei) T時，可以從(cong) 觀察鏡中看到光，由於(yu) L遠遠大於(yu) 其它部分的長度，所以光從(cong) 界麵1反射到左側(ce) ，再回到八麵鏡走過的距離近似為(wei)

S=2L

根據剛才的分析，光來回運動一次，八麵鏡剛好走過1格，時間

t=T/8

因此光的速度為(wei)

根據這個(ge) 原理，邁克爾孫測出光的速度為(wei) 299853±60km/s，與(yu) 我們(men) 今天測量的更加精確的值非常接近。

現在，人們(men) 使用更加精確的方法測出光在真空中的速度為(wei) 299792458m/s，並且利用光速來定義(yi) “米”的概念。1米就等於(yu) 光在真空中傳(chuan) 播299792458分之一秒內(nei) 傳(chuan) 播的距離。如果距離非常大，人們(men) 就使用光年的概念：1光年等於(yu) 光在一年時間裏走過的距離，大約。我們(men) 能看到幾百萬(wan) 光年之外的恒星，那是因為(wei) 那些恒星早在幾百萬(wan) 年前就開始發光了，直到今天它們(men) 發出的光才到達地球。換句話說，我們(men) 看到的是它們(men) 幾百萬(wan) 年前的樣子，今天它還存在不存在，還是個(ge) 未知數呢！

END

來源：李永樂(le) 老師

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