光速是怎么被测出来的？
光速是如何测量的
在17世纪以前，人们都以为光的传播不需要时间，因为无论距离多远，只要一发光就立刻可以看到它。但是科学实验的始祖伽利略认为，光的传播和声音一样，要花费时间。1607年，他曾经尝试用实验来测定光速，这在科学史上是第一次。
夜间，伽利略和他的助手面对面地站在两个相距1公里的山头A和B上，各带一只校得同样准确的钟，伽利略的手里还提着一盏遮了罩子的提灯。
实验开始的时候，伽利略打开灯罩，记下发光的时刻；助手根据他自己的钟记下看到光的时刻。从两个时刻的差，就可以得到光通过距离l和所用的时 A传到B所用的时间极短，比两只钟的误差还要小得多。
伽利略对实验做了改进，他让助手拿一块大平面镜站在B山头上，自己提着灯，带着钟站在A山头上。实验开始的时候，他打开灯罩，记下发光时刻，当看到光从平面镜反射回来的时候，再看一下钟，这样就记下了光通过2l距离所用的时间t。从理论上讲，这个实验用了同一只钟，光走过的路程也长了 光速实在太快了。
伽利略虽然初试受挫，但他发明了望远镜，观察了木星和它的几颗主要卫星，还说过，利用木星的卫星时常消失可以用来做黄径的测量，这些工作使一位后来的科学家受到了启发，并用这种方法证明了光速是有限的。此人就是丹麦青年科学家罗默。罗默生于奥尔胡斯，在哥本哈根受过教育，后来移居巴黎。在罗默来巴黎的30年前，意大利天文学家卡西尼应路易十四聘请也来到巴黎，他对木星系进行了长期系统的观察和研究。他告诉人们，木星和地球一样也是围绕着太阳运行的行星，但它绕太阳运行的周期是12年。在它的周围有12颗卫星，其中有4颗卫星特别亮，地球上的人借助于望远镜就可以看清楚它们的位置。由于这些卫星绕木星运行，隔一段时间就会被木星遮食一次，其中最近木星的那颗卫星二次被木星遮食的平均时间间隔为42小时28分16秒。罗默在仔细观察和测量之后发现，这个时间间隔在一年之内的各个时间里并不是完全相同的，并且当木星的视角变小时，这个时间间隔要大于平均值。
1676年9月，罗默向巴黎科学院宣布，原来预计11月9日上午5点25分45秒发生的木卫食将推迟10分钟。巴黎天文台的天文学家们虽然怀疑罗默的神秘预言，但还是作了观测并证实了木卫食的推迟。11月22日罗默在解释这个现象时说，这是因为光穿越地球的轨道需要时间，最长时间可达22分钟。后来惠更斯利用罗默的数据和地球轨道直径的数据，第一次计算出光速为 2×108米/秒。
1681年罗默被克利斯汀五世召回丹麦，担任了丹麦皇家学会天文学家，此后人们就不知道他的工作又有什么新的进展，他留下的观测资料也在1728年哥本哈根城的大火之中烧为灰烬。直到18世纪的时候，他的理论才被一位英国格林尼治天文台的天文学家、牛津大学教授布喇德雷以意料不到的方式所证实。
1928年9月某一天，布喇德雷教授与同事乘船沿泰晤士河航行。教授站在船的甲板上，望着桅杆上不时在改变方向的风标，十分奇怪，难道风向会这样不停地改变吗？一位水手向他解释说，这是船在改变航向，风向并没有变。这个回答启发了教授，他立刻想到，既然船的航行会改变人对风向的观察，那么地球上的人，他看到的光传播方向也会因为地球的运动而有所改变。于是他把这个新的发现结合到自己的研究工作中来，使一个困惑多时的难题迎刃而解了。
原来教授在观测一颗星的视差时，惊奇地发现遥远的星体都以一年为周期在天球上画出一个小椭圆。他一直无法解释这种现象，现在他明白了，这就是“光行差”现象。由遥远的恒星S传向地球的光微粒类似于垂直下落的雨滴，当我们向前奔跑时，觉得雨滴是倾斜地向我们飞来。同样的道理，地面上的望远镜被地球带着向前运动，为了使光微粒能恰好穿过镜筒被观察者看到，就必须让镜筒向前倾斜一个合适的角度α，所以看起来恒星的位置在S’方向。一年内，观察者在地球轨道的不同位置上观察这颗恒星，就可以看到它的位置S’在天球上兜了一个小圈子。
显然，当观察者通过倾斜的镜筒观察到恒星的光时，说明它的倾角的正切 的运行速度就可以求出光速。利用这种方法求得的光速为3.03×108米/秒，比惠更斯算得的值又前进了一步。用天文学方法测定光速虽然取得了成功，但物理学家们并没有因此认为这个光速值已经相当精确了。因为这种方法尽管在原理上无可挑剔，但计算上还得依赖一些天文数据，而这些数据本身就谈不上有很高的精确度。所以到了19世纪，科学家们开始研讨在地面上测定光速的可能性。由于光速极大，因此测量必须用到很长的距离或者很短的时间。对地面观测来说，精确测定很短的时间间隔是问题的关键。地面上构思巧妙的光速测定实验都是围绕这个主题来设计的。在这方面作出开拓性工作的人是法国科学家菲索和傅科。说来也巧，这两位大师都在1819年出生于巴黎，年轻时又不约而同地选修了物理专业，并且还成为初期研究的合作伙伴。菲索出生于豪富的家庭，继承了大笔遗产，他本可以用这大笔钱玩乐享受，但他并没有这样做，而把自己的财产用来作为研究经费。1849年他首先在地面上成功地用“齿轮法”完成了光速测量。菲索让光源发出的光从转动齿轮的间隙中通过，再通过透镜变成平行光束，这光束聚焦于安装在一定距离的平面镜上，被平面镜反射后再沿着相反的方向返回齿轮，进入观察者的眼睛。
当齿轮以某一速度转动时，观察者将看不到返回的光，这是因为光线从齿轮到达平面镜再回到齿轮时，恰好为下一个移来的齿所遮蔽，倘若使轮的转速增加1倍，光点又重新被看到了，因为返回的光恰好穿过下一个齿缝。设轮的 如果光速为C，齿轮与平面镜间的距离为l，那么， 进行的。齿轮的齿数是720个，计算光速为313，300公里/秒。
1850年，法国物理学家傅科设计了一面旋转的镜子，让它用一定的速度转动，使它在光线发出并且从一面静止的镜子反射回来的这段时间里，刚好旋转一圈。这样，能够准确地测得光线来回所用的时间，就可以算出光的速度。经过多次实验，傅科测得的光速平均值等于 2.98×108米/秒。值得一提的是，傅科还在整个装置充入了水，测定了光在水中的速度。他发现光在水中的速度与空气中的速度之比近似等于3/4，正如等于水和空气的折射率之比，水中的光速慢于真空中的光速，与微粒理论的预言相悖。然而具有戏剧性的事实是，此时大多数物理学家早已接受了光的波动说，所以这个实验结果对微粒理论来说只是一个迟到的唁电。
此后不久，还有法国的科尼尔、美国的纽科姆、迈克尔逊都做过出色的测定光速实验，近年来最精确测量表明，光在真空里的速率为每秒299 792 456.2米，估计误差值为每秒 1米或 0.000001％。
光速确实大得惊人，它一秒钟可以绕地球7周半。不过，相对于广袤无垠的宇宙来说，它又显得很慢了。地球和太阳之间的距离是1.5亿公里，太阳发出的光要经过8分20秒才能够照到地球上。从其他恒星发出的光照到地球上所需要的时间就更长了。所以在天文学上常用光年做计量长度的单位，量度星际间的距离。1光年就是光在一年里走过的距离，大约等于 9.46×1015米。织女星距离地球大约 2.6×1017米，所以你看到织女星所发出的光，实际上大约是28年半以前发出的。假如你乘上用光速飞行的飞船，去到用现代射电望远镜所能观察到的空间范围的边缘，将花费100亿年的时间。
参考资料：