科学家最初是如何测出光速的具体数值的？
在人类探索宇宙奥秘的漫长历程中，光速一直是那个既熟悉又遥不可及的存在。它不仅仅是一个数字，更是宇宙中最快的“车速”，是描述时空关系的金标准。那么，这位最初的“测速员”——科学家们，是如何一步步揭开光速的神秘面纱，并给出那个精确数值的呢？
第一步：从“光速无限”的猜想，到“光速有限”的曙光
在很长一段时间里，人们都认为光速是无限快的。毕竟，当太阳升起时，光明仿佛瞬间洒满大地，我们无法感知到任何延迟。甚至连伟大的亚里士多德也持此观点。
然而，一些细心的观察者开始注意到一些反常的现象。其中最著名的，莫过于丹麦天文学家奥勒·罗默（Ole Rømer）。1676年，他在观测木星的一颗卫星——艾奥（Io）的运动时，发现了异常。
艾奥围绕木星运行，会周期性地被木星遮挡（发生“掩食”），也会重新出现在木星后面。罗默发现，当木星和地球都处于离太阳较近的位置时，艾奥的掩食发生得比理论预测的时间要早一些；而当它们处于离太阳较远的位置时，掩食则会比预测的时间晚一些。
他大胆地推测，这种时间差并非艾奥自身运动的紊乱，而是光从艾奥传播到地球所需的时间造成的。当木星和地球相距较远时，光需要走更长的路程，自然也就需要更长的时间。反之亦然。
罗默根据他多年积累的观测数据，估算出当地球在其轨道上绕太阳运动时，光需要大约22分钟才能穿越地球轨道的直径。虽然这个数值与我们今天精确测得的光速（约8分20秒传递的距离）有相当大的差距，但他第一次用科学的方法证明了光速是有限的，并且提供了一个初步的估算，这在当时是一个划时代的成就。
第二步：从天文观测，到地面实验的精确丈量
罗默的发现虽然重要，但天文观测毕竟受到许多其他因素的影响，其精度有限。到了18世纪，科学家们开始尝试在地面上进行更精确的测量。
其中一位不得不提的关键人物是英国物理学家詹姆斯·布拉德利（James Bradley）。1728年，他在尝试测量恒星视差（即由于地球绕太阳公转，恒星在天空中位置的周期性变化）时，意外发现了“光行差”现象。
他注意到，许多恒星的最佳观测时间并没有出现在我们直觉认为的“正对”方向，而是稍微提前了一点。就像你在雨中奔跑时，感觉雨滴是斜着打在身上一样，这是由于观察者的运动与光速的相对运动造成的。
布拉德利精确地测量了这种“光行差”的角度，并结合地球的公转速度，计算出光速。他的结果比罗默更接近现代数值，虽然仍然不够精确，但他进一步巩固了光速有限的结论，并为地面实验提供了思路。
第三步：精密仪器登场，开启高精度测量时代
进入19世纪，随着光学和机械制造技术的飞速发展，科学家们开始设计更巧妙的实验来测量光速。
菲索的齿轮实验（1849年）：
法国物理学家阿尔曼·菲索（Armand Fizeau）是第一个在地面上成功测量光速的科学家。他设计了一个相当精巧的实验，巧妙地利用了“时间差”的概念。
实验装置的核心是一个高速旋转的齿轮。一束光穿过齿轮的缝隙，照射到远处（大约8.6公里外）的一面反射镜，然后反射回来。
当齿轮静止时，光线可以顺利地穿过缝隙，到达反射镜并返回，然后再次穿过同一个缝隙进入观察者的眼睛。
当齿轮开始旋转时，如果转速很慢，光线仍然可以顺利通过。但随着齿轮转速的加快，当它转动到一定程度时，返回的光线就会被齿轮的齿挡住，观察者就看不见光了。
菲索通过调节齿轮的转速，找到那个刚刚能挡住返回光线的临界速度。他知道齿轮每转过一个齿，光线就需要从齿缝穿过，然后被下一个齿挡住。因此，他可以根据齿轮的转速、齿数以及光线往返的距离，计算出光速。
他的实验结果大约是每秒313,000公里，虽然与现代值仍有一定偏差，但这是一个非常了不起的成就，标志着人类第一次在实验室里测量了光速，并且精度有了显著提高。
傅科的旋转镜实验（1862年）：
法国物理学家莱昂·傅科（Léon Foucault）在菲索的基础上，对实验进行了改进。他使用了旋转的镜子来代替旋转的齿轮。
实验原理有些类似：一束光照射到高速旋转的镜子上，然后反射到一个远处的固定反射镜，再反射回来。由于镜子在光线往返的过程中已经旋转了很小的角度，导致返回的光线相对于入射光线会发生一个微小的偏转。
傅科精确测量了这个偏转角度，以及旋转镜的速度和反射距离。他发现，与菲索的实验相比，他的测量结果更精确，得出的光速值约为每秒298,000公里，这已经非常接近我们今天所熟知的数值了。
傅科的实验还通过比较光在水中和空气中的传播速度，首次在实验上证明了光在不同介质中的速度是不同的，并且在密度更大的介质中速度更慢。这为理解光的波动性提供了重要证据。
第四步：麦克斯韦的理论预测与电磁波的验证
在傅科进行实验的同时，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）正在进行一项更具革命性的理论研究。
1865年，麦克斯韦提出了他的电磁场理论，并通过数学方程描述了电场和磁场如何相互转化、相互传播。他发现，这些相互作用的波动在真空中传播的速度，可以通过测定真空中的介电常数和磁导率来计算。
令他震惊的是，计算出来的速度值竟然与当时测量到的光速非常接近！这让他大胆地推测：光就是一种电磁波！
麦克斯韦的理论预测，光速 $c$ 可以由以下公式计算：
$c = frac{1}{sqrt{epsilon_0 mu_0}}$
其中，$epsilon_0$ 是真空介电常数，$mu_0$ 是真空磁导率。
这个理论预测，不仅解释了光的本质，也为后来的精确测量提供了理论指导。
第五步：迈克尔逊莫雷实验与不变光速的确认
进入20世纪，虽然光速的测量已经相当精确，但科学家们仍然在探索光速的奥秘。其中最著名的实验之一是1887年由阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）进行的迈克尔逊莫雷实验。
当时，科学家们普遍认为光是像水波一样，需要在一种叫做“以太”的介质中传播。如果以太存在，并且地球在以太中运动，那么光速在不同方向上应该会有所不同。
迈克尔逊和莫雷设计了一个精巧的干涉仪，将一束光分成两束，分别沿着相互垂直的方向传播，然后反射回来，再重新汇合。他们期望通过观察这两束光发生干涉的条纹，来检测地球在以太中的运动速度。
然而，实验结果却出乎意料——他们没有发现任何光速在不同方向上的差异！
这个“零结果”颠覆了以太的设想，也为后来阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论奠定了基础。爱因斯坦的相对论提出的核心观点之一就是：光速在所有惯性参考系中都是恒定不变的，并且是物质宇宙中最快的速度。
最后的精度提升
随着科技的进步，测量光速的方法也越来越多样化，例如利用激光和微波技术。每一次精度的提升，都加深了我们对宇宙基本规律的理解。
时至今日，光速的精确值已被确定为：
$c = 299,792,458$ 米/秒
这个数值的测定，是无数科学家智慧和汗水的结晶，是人类探索未知、挑战极限的生动写照。从最早的星空观测，到精密的地面实验，再到深刻的理论预言，光速的数值就这样一步步被揭示出来，成为我们认识宇宙的基石。
第一步：从“光速无限”的猜想，到“光速有限”的曙光
在很长一段时间里，人们都认为光速是无限快的。毕竟，当太阳升起时，光明仿佛瞬间洒满大地，我们无法感知到任何延迟。甚至连伟大的亚里士多德也持此观点。
然而，一些细心的观察者开始注意到一些反常的现象。其中最著名的，莫过于丹麦天文学家奥勒·罗默（Ole Rømer）。1676年，他在观测木星的一颗卫星——艾奥（Io）的运动时，发现了异常。
艾奥围绕木星运行，会周期性地被木星遮挡（发生“掩食”），也会重新出现在木星后面。罗默发现，当木星和地球都处于离太阳较近的位置时，艾奥的掩食发生得比理论预测的时间要早一些；而当它们处于离太阳较远的位置时，掩食则会比预测的时间晚一些。
他大胆地推测，这种时间差并非艾奥自身运动的紊乱，而是光从艾奥传播到地球所需的时间造成的。当木星和地球相距较远时，光需要走更长的路程，自然也就需要更长的时间。反之亦然。
罗默根据他多年积累的观测数据，估算出当地球在其轨道上绕太阳运动时，光需要大约22分钟才能穿越地球轨道的直径。虽然这个数值与我们今天精确测得的光速（约8分20秒传递的距离）有相当大的差距，但他第一次用科学的方法证明了光速是有限的，并且提供了一个初步的估算，这在当时是一个划时代的成就。
第二步：从天文观测，到地面实验的精确丈量
罗默的发现虽然重要，但天文观测毕竟受到许多其他因素的影响，其精度有限。到了18世纪，科学家们开始尝试在地面上进行更精确的测量。
其中一位不得不提的关键人物是英国物理学家詹姆斯·布拉德利（James Bradley）。1728年，他在尝试测量恒星视差（即由于地球绕太阳公转，恒星在天空中位置的周期性变化）时，意外发现了“光行差”现象。
他注意到，许多恒星的最佳观测时间并没有出现在我们直觉认为的“正对”方向，而是稍微提前了一点。就像你在雨中奔跑时，感觉雨滴是斜着打在身上一样，这是由于观察者的运动与光速的相对运动造成的。
布拉德利精确地测量了这种“光行差”的角度，并结合地球的公转速度，计算出光速。他的结果比罗默更接近现代数值，虽然仍然不够精确，但他进一步巩固了光速有限的结论，并为地面实验提供了思路。
第三步：精密仪器登场，开启高精度测量时代
进入19世纪，随着光学和机械制造技术的飞速发展，科学家们开始设计更巧妙的实验来测量光速。
菲索的齿轮实验（1849年）：
法国物理学家阿尔曼·菲索（Armand Fizeau）是第一个在地面上成功测量光速的科学家。他设计了一个相当精巧的实验，巧妙地利用了“时间差”的概念。
实验装置的核心是一个高速旋转的齿轮。一束光穿过齿轮的缝隙，照射到远处（大约8.6公里外）的一面反射镜，然后反射回来。
当齿轮静止时，光线可以顺利地穿过缝隙，到达反射镜并返回，然后再次穿过同一个缝隙进入观察者的眼睛。
当齿轮开始旋转时，如果转速很慢，光线仍然可以顺利通过。但随着齿轮转速的加快，当它转动到一定程度时，返回的光线就会被齿轮的齿挡住，观察者就看不见光了。
菲索通过调节齿轮的转速，找到那个刚刚能挡住返回光线的临界速度。他知道齿轮每转过一个齿，光线就需要从齿缝穿过，然后被下一个齿挡住。因此，他可以根据齿轮的转速、齿数以及光线往返的距离，计算出光速。
他的实验结果大约是每秒313,000公里，虽然与现代值仍有一定偏差，但这是一个非常了不起的成就，标志着人类第一次在实验室里测量了光速，并且精度有了显著提高。
傅科的旋转镜实验（1862年）：
法国物理学家莱昂·傅科（Léon Foucault）在菲索的基础上，对实验进行了改进。他使用了旋转的镜子来代替旋转的齿轮。
实验原理有些类似：一束光照射到高速旋转的镜子上，然后反射到一个远处的固定反射镜，再反射回来。由于镜子在光线往返的过程中已经旋转了很小的角度，导致返回的光线相对于入射光线会发生一个微小的偏转。
傅科精确测量了这个偏转角度，以及旋转镜的速度和反射距离。他发现，与菲索的实验相比，他的测量结果更精确，得出的光速值约为每秒298,000公里，这已经非常接近我们今天所熟知的数值了。
傅科的实验还通过比较光在水中和空气中的传播速度，首次在实验上证明了光在不同介质中的速度是不同的，并且在密度更大的介质中速度更慢。这为理解光的波动性提供了重要证据。
第四步：麦克斯韦的理论预测与电磁波的验证
在傅科进行实验的同时，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）正在进行一项更具革命性的理论研究。
1865年，麦克斯韦提出了他的电磁场理论，并通过数学方程描述了电场和磁场如何相互转化、相互传播。他发现，这些相互作用的波动在真空中传播的速度，可以通过测定真空中的介电常数和磁导率来计算。
令他震惊的是，计算出来的速度值竟然与当时测量到的光速非常接近！这让他大胆地推测：光就是一种电磁波！
麦克斯韦的理论预测，光速 $c$ 可以由以下公式计算：
$c = frac{1}{sqrt{epsilon_0 mu_0}}$
其中，$epsilon_0$ 是真空介电常数，$mu_0$ 是真空磁导率。
这个理论预测，不仅解释了光的本质，也为后来的精确测量提供了理论指导。
第五步：迈克尔逊莫雷实验与不变光速的确认
进入20世纪，虽然光速的测量已经相当精确，但科学家们仍然在探索光速的奥秘。其中最著名的实验之一是1887年由阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）进行的迈克尔逊莫雷实验。
当时，科学家们普遍认为光是像水波一样，需要在一种叫做“以太”的介质中传播。如果以太存在，并且地球在以太中运动，那么光速在不同方向上应该会有所不同。
迈克尔逊和莫雷设计了一个精巧的干涉仪，将一束光分成两束，分别沿着相互垂直的方向传播，然后反射回来，再重新汇合。他们期望通过观察这两束光发生干涉的条纹，来检测地球在以太中的运动速度。
然而，实验结果却出乎意料——他们没有发现任何光速在不同方向上的差异！
这个“零结果”颠覆了以太的设想，也为后来阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论奠定了基础。爱因斯坦的相对论提出的核心观点之一就是：光速在所有惯性参考系中都是恒定不变的，并且是物质宇宙中最快的速度。
最后的精度提升
随着科技的进步，测量光速的方法也越来越多样化，例如利用激光和微波技术。每一次精度的提升，都加深了我们对宇宙基本规律的理解。
时至今日，光速的精确值已被确定为：
$c = 299,792,458$ 米/秒
这个数值的测定，是无数科学家智慧和汗水的结晶，是人类探索未知、挑战极限的生动写照。从最早的星空观测，到精密的地面实验，再到深刻的理论预言，光速的数值就这样一步步被揭示出来，成为我们认识宇宙的基石。
网友意见
2017.01.20编辑：如果拿光速与由光速定义出的米比较，就没有太大意义。希望描述一下科学家在最初（米的长度还没有由光速来定义）测定时所用的方法。
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