如今，大多数人都知道真空中的光速约为30万千米/秒，但几百年前的科学家可不知道这一点。于是，他们只能想办法进行实验，测量光速。
早在1607年，一位意大利物理学家进行了首次光速测量实验。1849年，一位法国科学家通过实验，得出了很接近真实光速的结果。在几百年前，科学家是怎样利用简单的器械测量光速的？
01
第一个光速测量实验
Measuring the speed of light
伽利略肖像画
图源：Wikipedia
17世纪以前，人们一直认为光是无限快的，甚至连著名科学家开普勒和笛卡尔都对此深信不疑。但一位我们很熟悉的科学家——伽利略，提出了不同的观点。他认为，光速虽然很快，但仍是有限的，并且可以被测量出来。
为了证实自己的猜想，伽利略在1607年设计了历史上第一个光速测量实验。伽利略一行四人，分成A和B两组，分别登上两座相隔1.6千米左右的山峰，每组都携带有一盏改装过的煤油灯——灯的一面加装了滑盖，当放下滑盖时，从另一座山峰上看，亮光就会被挡住。
进行实验时，他们只需要快速地拉开滑盖，就能利用煤油灯的光发出信号。除了两盏煤油灯外，他们还携带了钟摆计时器（伽利略发明的计时装置，是摆钟的前身），以及记录数据的纸和笔。
伽利略的实验方法非常简单：A组拉开挡板发出信号的同时开始计时，当B组看到信号后也立即拉开挡板，A组看到B组反馈的光信号后结束计时。伽利略认为，两座山峰间距离的两倍除以计时时间就等于光速。
理论上来讲，伽利略的实验没什么问题，但伽利略没有预料到光速会如此之快——光跨越1.6千米的距离只需要18.75万分之一秒，当时没有任何计时工具可以达到这样的精度。此外，伽利略也没有考虑人的反应时间对实验结果的影响，相对于光在两座山峰间传播的时间，人的反应时间太长了。
虽然伽利略的实验失败了，但他迈出了人类探索光速的第一步。
02
接近正确答案
Measuring the speed of light
在菲索的实验中，实验者从5处的望远镜观察光束
图源：Wikipedia
光速最早是法国科学家菲索测出来的，他用到的实验器材仅仅是光源、镜子、齿轮和望远镜。
试想一下，光源发出的光穿过齿轮的一个齿缝射到镜子上，然后光会被反射回来，而我们则在齿轮后方观察。如果齿轮不转，那么被反射回来的光会原路返回，通过同一个齿缝被我们观察到。
现在，我们开始转动齿轮。在刚开始转速比较慢的时候，因为光速很快，光仍然会通过同一个齿缝回来。但是当齿轮越转越快，达到某个特定速度时，光返回的时候这个齿缝刚好转过去，于是光就被挡住了，我们就看不到那束光了。
当齿轮的转速继续加快，快到一定程度时，光返回的时候恰好可以穿过了下一个齿缝，于是我们又能看见这术光了。这样的话，只要知道齿轮的转速、齿数，还有我们到镜子的距离，就能计算出光速了。这个实验最巧妙的地方在于，它不需要用到计时器，之前所有的光速测量实验都失败的根本原因就在于找不到足够精度的计时装置。
就这样，在菲索不懈的努力下，当齿数上升到 720 齿，光源距镜子的距离达 8 千米，转数达到12.67 转/秒的时候，菲索首次观察到光被挡住的现象。当转速继续提高一倍后，菲索又再次看到了光束。
根据实验结果，菲索计算出光的速度是 31.5 万千米/秒，与我们今天熟知的30万千米/秒的光速已经很接近了。
03
因测量光速获得诺贝尔奖
Measuring the speed of light
迈克尔逊手写的实验结果
图源：Wikipedia
迈克尔逊从1879年开始就在从事光速测量方面的研究，持续了大约50年。他总结了前人的不足，设计出“旋转八面棱镜法”来测量光速。
“旋转八面棱镜法”的原理和菲索的实验基本相同。迈克尔逊用精确测定的棱镜转速，代替了菲索实验中齿轮的转速，从而减小了时间测量的误差。
通过实验，迈克尔逊计算出光的速度是299,796千米/秒。在当时，这被认为是最精确的数据，而迈克尔逊也因此获得了1907年诺贝尔物理学奖。
这之后几十年里，新的实验技术和实验方法层出不穷，科学家测得的光速值也越来越精确。最终，在1972年，美国标准局埃文森等人用测量激光频率和真空中光的波长的方法，测得光速为299792.458千米/秒。这一数值也在1975年召开的第十五届国际计量大会被作为国际推荐值使用。
参考资料
https://www.cdstm.cn/gallery/kxfdj/202111/t20211112_1059271.html
https://pec.swjtu.edu.cn/yethan/WebAction?setAction=newsDetail&viewType=webdept&newsId=D6F87E397BF82184#
《时间的形状：相对论史话》