Speed of Light
什么是光速？
在外太空的某个地方，距离地球数十亿光年，与宇宙大爆炸相关的原始光线在它继续向外移动时开辟了新的天地。与此形成鲜明对比的是源于地球的另一种形式的电磁辐射——无线电波。无线电波常用于直播电视节目，它的信号可以传播到太空深处，但振幅随着距离大大衰减。
这两个现象背后的基本概念涉及光速（以及所有其它形式的电磁辐射）。
光速有多快
科学家们对光速进行过详细研究，现在用方程中的常数符号 c 表示。它并非真正的常数，而是真空中达到它的最大速度（几乎每秒 300,000 公里），我们可以通过改变光的传播介质或量子干涉的方式来控制光速。
在均匀物质或介质中传播的光以相对恒定的速度沿直线传播，除非它被折射，反射，衍射或扰动。这一公认的科学事实并非源自原子时代甚至文艺复兴时期，而是古希腊学者欧几里得早在公元前 350 年左右创作的里程碑巨著《光学》中提出的。然而，光（和其它电磁辐射）的强度与其传播距离的平方成反比。即当光传播到达两倍给定距离后，强度会下降四倍。
光在空气和水中的传播速度有多快？
当光从空气进入不同的介质（如玻璃或水）时，尽管光的频率保持不变，它的速度会减慢，波长会缩短（见图 2）。光在真空中以约 300,000 公里/秒的速度传播（折射率为 1.0），但在水中减速至 225,000 公里/秒（折射率为 1.3；见图 2），在玻璃中减速为 200,000 公里/秒（折射率为 1.5）。在折射率高达 2.4 的钻石中，光的速度下降至极慢的速度（125,000 公里/秒），比其在真空中的最高速度下降约 40%。
由于光在星系间（见图 1）和银河系内的外太空中传播的距离十分遥远，恒星之间的广阔距离不是以公里为单位，而是以光年为单位，即光在一年内传播的距离。一光年相当于 9.5 万亿公里或约 5.9 万亿英里。从地球到太阳系外最近的恒星——半人马座比邻星的距离约为 4.24 光年。相比之下，银河系的直径估计为 150,000 光年，而地球与仙女座星系的距离约为 221 万光年。这意味着在 221 万年前离开仙女座星系的光刚刚到达地球，除非被反射天体或折射碎片所阻挡。
当天文学家凝视夜空时，他们看到的是现在、近期和古代光线的混合体。例如，在人类历史早期，巴比伦人、阿拉伯占星家和希腊天文学家描述星座时，天蝎座（占星家称为天蝎宫）仍有蝎尾。在公元前 500 至 1000 年间，这一星座中的尾星和其他恒星曾以新星的形式出现在天空中，但这些在今天的星空中已全然不见。尽管人类曾在地球夜空中观测到的部分恒星早已消亡，但携带其图像的光波仍然可以到达我们的眼睛和望远镜。事实上，由于传播时间太短，还有很多在这些恒星毁灭时发出的光（及其消亡后留下的黑暗）还没有穿越遥远的深空到达地球。
光速的早期历史
生活在公元前 450 年左右阿克拉加斯的恩培多克勒 (Empedocles) 是最早推测光速有限的哲学家之一。大约一千年后，即公元 525 年左右，罗马学者兼数学家波爱修 (Anicius Boethius) 曾试图记录光速，但在被指控叛国和巫术之后，他被斩首了。自从中国人最早将黑火药用于焰火和传递信号以来，人们就对光速感到好奇。由于烟火的彩色闪光比爆炸声早几秒钟出现，因此不需要精确计算就可以发现光的速度明显快于声音的速度。
十三世纪中叶，中国人制作火药的秘密传到了西方，随之引发了有关光速问题的讨论。在此之前，其他研究者一定已经发现，在电闪雷鸣的雨中，常常在看到闪电之后，才能听到姗姗来迟的雷声，但他们并未对此提出合理的科学解释。阿拉伯学者阿尔哈曾 (Alhazen) 是第一个正式提出光速有限的科学家（公元 1000 年左右）。公元 1250 年，英国光学先驱罗杰·培根 (Roger Bacon) 提出光速虽然很快，但仍是有限的。尽管如此，这一时期的大多数科学家普遍认为光速是无限的，因而无法测量。
1572 年，著名的丹麦天文学家第谷·布拉赫 (Tycho Brahe) 首次描述了出现在仙后座的超新星。这位天文学家看到一颗“新星”突然出现在天空中，亮度逐渐增强，然后在 18 个月的时间内逐渐消失，他对此感到十分困惑，也很好奇。这些新奇的天体景象促使布拉赫和他同时代的学者们对当时广为人知的观点产生质疑，即宇宙是完美和不变的，并且其光速是无限的。尽管 16 世纪的一些科学家开始质疑光速，但光速无限的看法很难被改变。直到 1604 年，德国物理学家约翰内斯·开普勒 (Johannes Kepler) 仍推测光速是瞬时的。他在发表的笔记中补充说，太空的真空环境并没有让光速下降，从而在一定程度上阻碍了其同时代的学者对于充满太空且承载光的“以太”的探索。
奥勒·罗默对于光速的估算
在发明望远镜和对其进行相对粗糙的改进后，在 1676 年，丹麦天文学家奥勒·罗默 (Ole Roemer)成为第一位严格估算光速的科学家。罗默在研究木星的卫星——木卫一及其频繁的日食后，预测出月球的日食周期（图 3）。但在几个月后，他注意到他的预测随着时间间隔的逐渐延长而慢慢变得不准确，最大误差达到约 22 分钟（考虑到光在这一时间段内传播的距离，这是一个相当大的差异）。随后，同样奇怪的是，随着日食周期的重复，他的预测在几个月后再次变得更加准确。在巴黎天文台工作的罗默很快意识到，观测到的差异是由行星不同公转轨道导致的地木间距离的变化而造成。随着木星远离地球，光的行进距离更长，因而需要更多的时间才能到达地球。根据这一期间内地球和木星间距离粗略的计算，罗默估计光速约为每秒 137,000 英里（或 220,000 公里）。图 3 再现了罗默用于解释其如何确定光速方法的原始绘图。
罗默的工作轰动了整个科学界，让许多研究者开始重新考虑对于光速无限的推测是否正确。例如，艾萨克·牛顿爵士 (Isaac Newton) 在 1687 年发表的里程碑专著《自然哲学的数学原理》（Philoshiae Naturalis Prinicipia Mathematica）中写道：“现在根据木星卫星的现象可以确定，并得到不同天文学家观测结果的证实，光是连续传播的，而且从太阳传播到地球大约需要七至八分钟。”这实际上是对正确光速的一个非常接近的估算。牛顿被广泛接受的的观点和受人尊敬的声誉促进了科学革命，并推动已认识到光速有限的科学家们发起了新的研究。
詹姆斯·布拉德雷对于光速的估算
随后，英国物理学家詹姆斯·布拉德雷 (James Bradley)为光速的估算做出了积极的贡献。在牛顿去世一年后的 1728 年，布拉德雷利用恒星偏移现象估算出真空中的光速约为每秒 301,000 公里。这一现象表现为地球绕太阳公转而引发恒星位置的明显变化。恒星偏移的程度可通过地球在公转轨道上的速度与光速的比值来确定。布拉德雷测量了恒星偏移角度，并将此数据应用于地球的公转速度，从而得出了相当准确的估算值。
1834 年，万花筒的发明者、声学先驱查尔斯·惠斯通爵士 (Charles Wheatstone) 尝试测量电的速度。惠斯通发明了一种装置，可利用旋转镜和莱顿瓶的电容放电，记录其产生的火花在近八英里长电线上的传播情况。遗憾的是，惠斯通的计算（或许是他的仪器）出现了错误，将电的速度估算为每秒 288,000 英里，因而让他错误地认为电的传播速度比光快。惠斯通的研究后来由法国科学家多米尼克·弗朗索瓦·让·阿拉果 (Dominique François Jean Arago) 进一步拓展。尽管阿拉果在 1850 年视力下降，因而未能完成其工作，但他正确地假设了光在水中的传播速度比在空气中慢。
斐索和傅科的光速实验
与此同时，两位法国科学家阿曼德·斐索 (Armand Fizeau) 和让·伯纳德·利昂·傅科 (Jean-Bernard Leon Foucault)基于阿拉果的发现并进一步扩展惠斯通的旋转镜装置设计，分别尝试不依赖天体事件而测量光速。1849 年，斐索设计了一个装置，让光束穿过齿轮形遮板（而不是旋转镜），然后照射到距离 5.5 英里处的固定反光镜上。通过快速旋转齿轮形遮板，引导光束从两个齿的间隙中射出，并在相邻的间隙中捕捉到反射回来的光线。借助于齿轮形遮板的转速和脉冲光的传播距离，斐索计算出了光速。他还发现，光在空气中传播的速度比在水中快（证实了阿拉果的假设），而他的同行——傅科随后通过实验也证实了这一事实。
傅科使用由压缩空气涡轮机驱动的快速旋转镜来测量光速。在他的装置（见图 4）中，一束狭窄光束通过一个小孔，然后通过一个带有精细刻度的玻璃窗（也用作分光器），照到快速旋转的反光镜上。从旋转镜反射出来的光线以之字形通过一组固定反光镜。这样的设计可将装置的光路长度延长至约 20 米，而不会加大装置尺寸。在光线通过一系列固定反光镜反射回到旋转镜的时间过程内，旋转镜位置发生了轻微移动。随后，从旋转镜移动后的位置反射的光线，沿新的光路回到光源，并进入安装在装置上的一台显微镜。通过显微镜可以看到微小的光线偏移并进行记录。通过分析实验中收集的数据，傅科计算出光速为每秒 298,000 公里（约 185,000 英里）。
傅科装置中的光路足够短，可用于测量光在空气以外其他介质中的速度。他发现，光在水或玻璃中的传播速度只有空气中的三分之二左右。因此，他认为光通过给定介质的光速与折射率成反比。这一重大成果与几百年前基于光的波动理论而得出的光传播行为的预测相一致。
迈克尔逊和莫雷的光速测量装置
基于傅科的装置，波兰裔美国物理学家阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊 (Albert A. Michelson) 尝试提高光速测量方法的准确度，并于 1878 年在英格兰的塞文河畔沿着一堵长 2,000 英尺的墙壁建立了更为复杂的装置，从而成功地测量了光速。迈克尔逊采用高质量的透镜和反射镜，让光束在远远长于傅科所使用光路的路径上聚焦和反射，从而计算出每秒 186,355 英里（299,909 公里）的最终结果以及约每秒 30 英里的误差。由于极大地提高了实验设计的复杂程度，迈克尔逊的测量精度是傅科的 20 多倍。
十九世纪末，大多数科学家仍相信光是利用一种叫做“以太”的载体在太空中传播。1887 年，迈克尔逊与科学家爱德华·莫雷 (Edward Morley) 合作，设计了一种通过观察地球绕太阳公转一圈时光速的相对变化而探测“以太”的实验方法。为了实现这一目标，他们设计了一个干涉仪，能够利用复杂的反射镜阵列，将光束分成两条不同的路径，每条光路的长度超过 10 米。迈克尔逊和莫雷推断，如果地球是在“以太”中公转，垂直于以太流来回反射的光束必然比平行于以太流时传播得更远。因此，当两条光束通过干涉重新叠加时，应该能检测到其中一束光的延迟。
迈克尔逊和莫雷建造的实验装置相当巨大（见图 5）。这一装置安装在一块面积超过 5 平方英尺且厚 14 英寸的缓慢旋转的石板上，由下方的水银池作为无摩擦减震器，从而消除地面振动的影响。石板开始运动后，最快可达到每小时10 圈的速度，然后需要数小时才能再次停止。光源通过分光器后，被反射镜系统反射，然后应在显微镜中看到干涉条纹，但从未观察到任何干涉条纹。然而，迈克尔逊利用他的干涉仪精确测定光速为每秒 186,320 英里（299,853 公里），成为之后 25 年中的标准值。迈克尔逊-莫雷的实验未能检测到光速的变化，由此引发了对于“以太”争论的终结，而阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 在二十世纪初提出的理论终于给关于以太的争论盖棺定论。
爱因斯坦的狭义相对论与光速
1905 年，爱因斯坦发表了狭义相对论，随后在 1915 年又发表了广义相对论。狭义相对论涉及恒定相对速度下的物体的运动，而广义相对论则是关于加速度及其与重力的关系。爱因斯坦的理论是物理界的一场革命，挑战了许多长久以来的假设，如艾萨克·牛顿·(Isaac Newton) 的运动定律。相对论提出了物体的速度只能由相对于观察者的位置来确定的概念。例如，当飞机作为参照系时，在飞机内行走的人可以每小时约 1 英里的速度行进（飞机本身的速度为每小时 600 英里）。但是，对于地面观察者来说，这名男子似乎正在以每小时 601 英里的速度移动。
爱因斯坦假设光在两个参照系间的传播速度对于两个位置上的观察者来说是相同的。因为一个参照系中的观察者用光来确定另一个参照系中物体的位置和速度，这改变了观察者可以将物体的位置和速度联系起来的方式。爱因斯坦利用此概念推导出了几个重要的公式，其中描述了在相对第一个参照系匀速运动的另一个参照系中观察时，第一个参照系中的物体是如何运动的。他的研究结果得出了不寻常的结论，虽然只有当物体的相对速度接近光速时，其效果才会变得明显。总而言之，爱因斯坦的基础理论和他经常引用的相对论方程的主要应用是：
可归纳如下：
相对于观察者，物体的长度随着其速度增加而缩短。
当参照系移动时，时间间隔变短。换言之，一个以光速或接近光速移动的太空旅行者可以离开地球很多年，而在返回地球时发现仅仅过了几个月。
运动物体的质量随速度增加而增加。当速度接近光速时，其质量接近无穷大。正因如此，人们普遍认为不可能以比光速更快的速度行进，因为加速一个无限大的质量需要无穷大的能量。
爱因斯坦的理论影响了整个物理学界，然而它对那些研究光的科学家们来说有着尤其重要的影响。他的理论解释了迈克尔逊-莫雷实验未能产生预期结果的原因，让学界不再对“以太”载体理论进一步深入研究。他的理论也证明了在真空中，没有任何物体的运动速度能够超过光速，而光速是一个恒定不变的值。与此同时，实验科学家们继续使用越来越精密的仪器来确定光速的正确值，并减少测量误差。
光速的测量
表 1
| 日期 | 研究者 | 方法 | 公里/秒（估算值） |
|---|---|---|---|
| 1667 年 | 伽利略·伽利雷 (Galileo Galilei) | 带百叶窗的灯笼 | 333.5 |
| 1676 年 | 奥勒·罗默 (Ole Roemer) | 木星的卫星 | 220,000 |
| 1726 年 | 詹姆斯·布拉德雷 (James Bradley) | 恒星偏移 | 301,000 |
| 1834 年 | 查尔斯·惠斯通 (Charles Wheatstone) | 旋转镜 | 402,336 |
| 1838 年 | 弗朗索瓦·阿拉果 (François Arago) | 旋转镜 | |
| 1849 年 | 阿曼德·斐索 (Armand Fizeau) | 旋转的齿轮 | 315,000 |
| 1862 年 | 利昂·傅科 (Leon Foucault) | 旋转镜 | 298,000 |
| 1868 年 | 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) | 理论计算 | 284,000 |
| 1875 年 | 马里·阿尔弗雷德·考纽 (Marie-Alfred Cornu) | 旋转镜 | 299,990 |
| 1879 年 | 阿尔伯特·迈克尔逊 (Albert Michelson) | 旋转镜 | 299,910 |
| 1888 年 | 海因里希·鲁道夫·赫兹 (Heinrich Rudolf Hertz) | 电磁辐射 | 300,000 |
| 1889 年 | 爱德华·贝内特·罗莎 (Edward Bennett Rosa) | 电气测量 | 300,000 |
| 19 世纪 90 年代 | 亨利·罗兰 (Henry Rowland) | 光谱 | 301,800 |
| 1907 年 | 爱德华·贝内特·罗莎 (Edward Bennett Rosa) 和诺亚·多尔西 (Noah Dorsey) | 电气测量 | 299,788 |
| 1923 年 | 安德烈·梅西尔 (Andre Mercier) | 电气测量 | 299,795 |
| 1926 年 | 阿尔伯特·迈克尔逊 (Albert Michelson) | 旋转镜（干涉仪） | 299,798 |
| 1928 年 | 奥古斯特·卡娄拉斯 (August Karolus) 和奥托·米太斯塔德 (Otto Mittelstaedt) | 克尔盒快门 | 299,778 |
| 1932 年至 1935 年 | 迈克尔逊 (Michelson) 和皮斯 ( Pease) | 旋转镜（干涉仪） | 299,774 |
| 1947 年 | 路易斯·埃森 (Louis Essen) | 谐振腔 | 299,792 |
| 1949 年 | 卡尔 I. 阿斯拉克森 (Carl I. Aslakson) | 短程雷达 | 299,792.4 |
| 1951 年 | 基思·戴维·弗洛姆 (Keith Davy Froome) | 无线电干扰仪 | 299,792.75 |
| 1973 年 | 肯尼斯·M·埃文森 (Kenneth M. Evenson) | 激光 | 299,792.457 |
| 1978 年 | 彼得·伍兹 (Peter Woods) 及其同事 | 激光 | 299,792.4588 |
十九世纪末，无线电和微波技术的发展为光速的测量提供了新方法。1888 年，也就是在罗默开创性的天体观测 200 多年后，德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹 (Heinrich Rudolf Hertz) 测量了无线电波的速度。赫兹得到了接近每秒 300,000 公里的速度，证实了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 的理论，即无线电波和光都是电磁辐射的一种表现形式。20 世纪 40 和 50 年代，英国物理学家基思·戴维·弗洛姆 (Keith Davy Froome) 和路易斯·埃森 (Louis Essen) 分别利用无线电波和微波更精确地测量了电磁辐射的速度，从而收集到了更多的证据。
麦克斯韦在定义光和其他形式电磁辐射的速度方面也功不可没，但不是通过测量，而是通过数学推导。在试图寻找电和磁之间关系的研究中，麦克斯韦提出了不断变化的电场会产生磁场的理论，即法拉第定律的相反推论。他提出，电磁波由振荡的电波和磁波组成，并计算了这些波在空间中的速度：
其中，ε 是介电常数，µ 是自由空间的磁导率。这两个常数都可在相对较高的精度下测量。结果就是一个接近光速测量值的数值。
1891 年，迈克尔逊在继续光速和天文学的研究时，利用加利福尼亚州利克天文台的折射望远镜创建了一台大型干涉仪。他的研究基于观察光线经过遥远恒星时到达时间的延迟，从而通过定量分析测量天体的大小和光速。差不多 30 年后，迈克尔逊将他的实验转移到威尔逊山天文台，并在当时全球最大的 100 英寸望远镜上使用了相同的技术。
迈克尔逊在实验设计中加入一个八角形旋转镜，得到了每秒 299,845 公里的光速值。虽然迈克尔逊在临终前未能完成他的实验，但他在威尔逊山的同事弗朗西斯·G·皮斯 (Francis G. Pease) 继续采用创新技术进行研究直至 20 世纪 30 年代。皮斯使用改进后的干涉仪在几年内进行了多次测量，最终确定光速的正确值为 299,774 公里/秒，是迄今为止测得的最接近的测量值。几年后，在 1941 年，科学界确定了光速的标准值。这个值为 299,773 公里/秒，这是汇总当时最准确的测量结果而得出的。图 6 是过去 200 年中光速测量的示意图。
到 20 世纪 60 年代末，激光已成为具有高度精确频率和波长的稳定的研究工具。人们很快就发现，同时测量频率和波长可得到非常精确的光速值，例如基思·戴维·弗洛姆 (Keith Davy Froome) 在 1958 年使用的微波实验方法。美国和其他国家的多个研究小组用碘稳定氦氖激光器测量了 633 纳米线的频率，并获得了高度精确的结果。1972 年，美国国家标准与技术研究所采用激光技术测得了每秒 299,792,458 米/秒（186,282 英里/秒）的光速，最终以此高度准确估算的数值重新定义了“米”的标准数值。
从 1676 年罗默的突破性的工作算起，共有 100 多名研究人员利用各种不同的技术对光速进行了至少 163 次测量（方法、研究者和日期总结见表 1）。随着科学方法和设备的改进，估算的误差范围不断缩小，但自 17 世纪罗默的计算以来，光速并未发生显著变化。1983 年，在第一次严格测量光速 300 多年后，第十七届度量衡大会将光速定义为每秒 299,792.458 公里。因此，米的定义为光在 1/299,792,458 秒内传播的距离。但是，一般来说，（即使在许多科学计算中）光速都被四舍五入到每秒 300,000 公里（或 186,000 英里）。获得光速的标准值对于建立国际单位制来说非常重要，可让世界各地的科学家比较他们的数据和计算结果。
现在对于是否存在证据表明自宇宙大爆炸以来光速一直在减慢存在着轻微的争议，但部分研究者认为宇宙大爆炸时的光速可能远比现在更快。尽管支持和反对这一看法的论点让这场争论无休无止，但大多数科学家仍然认为光速是恒定的。物理学家指出，罗默及其追随者测量的实际光速没有显著变化，而是因为科学仪器的一系列改进提高了光速的测量精度。今天，我们已经精确地测量出木星和地球之间的距离，以及太阳系的直径和行星的轨道。当研究人员用这些数据重新推演过去几个世纪的计算结果时，他们计算出的光速值可以与使用更现代、更精密仪器测得的光速值相媲美。
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