在真空中传播的电磁波从不加速或减速。事实上,物理学的一个基本原则是,所有电磁波在真空中以相同的速度移动。为什么会这样?假设电磁波逐渐失去速度。根据电磁定律,振荡电场会产生较弱的磁场,进而产生较弱的电场,以此类推。简而言之,波会消失,能量会损失——这违反了能量守恒原理。根据同样的逻辑,电磁波不能加速,因为电场和磁场会不断相互增强,波的能量会不断增加。事实证明,电场和磁场以符合能量守恒的方式完全自我延续的速度只有一个。这个速度被称为光速,𝑐, 等于299,792,458m/s。
在17世纪之前,包括Johannes Kepler 开普勒和 Rene Descartes笛卡尔在内的著名科学家认为光是瞬间传播的。Galileo Galilei伽利略是最早质疑这一观点的人之一。为了测试光速是否可以测量,伽利略提出了一项实验,其中两名参与者将拿着有盖的灯笼,相距很远。一个人会打开他的灯笼,然后第二个人一看到第一盏灯的光就打开他的灯笼。通过知道两盏灯之间的距离,伽利略可以确定光速。然而,由于时间计时方法和人类反应速度的限制,伽利略只能估计光的速度至少是声音的十倍。
1676年,丹麦天文学家Ole Römer在研究木星的卫星时,对它们的日食进行了有趣的观察。Römer注意到,当地球距离木星较远时,木卫一的日食往往比预期的要晚,而当地球靠近木星时,日食往往比预计的要早。他将这种差异归因于来自木卫一的光到达地球所需的距离越远。使用当时公认的地球轨道直径值,Römer计算出光速约为220,000,000米/秒,这是第一次定量测量𝑐.
图:Ole Römer 1676年关于光速的原始出版物中的插图。最大的圆是地球绕太阳的轨道(A)。木星位于(B),在(DC)点遮蔽其卫星木卫一
1850年左右,法国物理学家Hippolyte Fizeau斐索试图通过在地球上的实验来测量光速--类似于几个世纪前伽利略的灯笼实验。斐索建造了一个由齿轮和镜子组成的装置,它们相距8公里。通过将一束光穿过转动的齿轮的齿并观察其在远处镜子中的反射,斐索的实验快速模拟了伽利略灯笼的覆盖和揭开。使用该装置,斐索获得了等于3.13亿m/s的𝑐值。1862年,法国物理学家Leon Foucault对斐索的结果进行了改进,用旋转镜代替了齿轮,得到了更准确的结果为298,000,000 m/s。
图:Fizeau斐索光速测量仪。
即使在Foucault福柯的实验中,光也尚未被理解为电磁波。
在1865年的一篇论文中,James Maxwell麦克斯韦利用他的方程组确定了电磁波速度的理论值。他得到的值为3亿米/秒,与几年前测量的光速惊人地接近。麦克斯韦得出结论,光实际上是一种电磁波:“结果的一致性似乎表明,光和磁是同一物质的影响,光是根据电磁定律在场中传播的电磁扰动。”
从1879年开始,Albert Michelson阿尔伯特·迈克尔逊在半个世纪的时间里对光速进行了后续测量。迈克尔逊的技术改进了Foucault福柯的方法,他在1931年的最后一次测量得出了更准确的值299774000米/秒。今天,光速是所有物理学中最成熟的值之一。我们非常精确地知道它的价值,所以我们现在用它来定义米的长度。