科学有道理：科学家如何精确测量光速？实验和理论的完美贴合
上一期，咱们介绍了科学家测量光速的方法，从亚里士多德不相信光速有限，到伽利略测试失败，再到罗默的粗略估算。
当时，罗默已经把光速的数量级给计算出来了，可惜很多因素导致误差比较大，和现在的准确数字有些偏差。今天，咱们看看科学家如何进一步精确计算光速。
斐索
1849年，距离罗默测量光速已经过去160多年了。法国实验物理学家斐索采用旋转齿轮法，成功地提高了光速的精度。
其实，斐索的方法很好理解。
实验装置
他先放置了一个光源，在光源前面放一个齿轮。这个齿轮的齿槽和光源相平，也就是说，光可以从齿槽穿过去，但如果轮齿转到光源面前，就会挡住光。所以，只要转动齿轮，就会看到光源的闪烁。然后，他在齿轮前面，又安置了一块镜子，让光反射回来。镜子的角度是垂直于地面的，所以反射回来的光和光源一样，也是和齿槽平齐的。这样，当齿轮旋转起来，从光源这一侧看镜子里的光，也是闪烁的。
不过，为了防止光源干扰对镜子里的光的观测，斐索把光源挪到齿轮侧面，然后用镜子反射，就相当于和镜子平齐了，也就是下图这样。
计算方法
接下来，翻滚吧小齿轮。然后，走你，射出一道光。斐索不断给齿轮加速，最终光从一个齿槽射出去，经过平面镜反射，透过下一个齿槽射到观察者的眼中。于是，光往返的时间，就等于这个齿轮转了一个齿的时间。
而齿轮转了一个齿的时间，是很好计算的：由于齿轮的速度是斐索自己控制的，所以转数是已知的，也就是齿轮旋转的周期是已知的。所以，用转动一圈的周期除以总齿数，就得到转动一个齿的时间了。
既然知道了光往返这段距离的时间，再测量一下观察者和平面镜的距离，就可以轻松计算光速了。
看，简单吧？
实验误差
不过，这个实验的难度，在于光速实在太快了。因此，他要尽量把平面镜安置在足够远的位置上才行。我们现在知道，光速接近30万公里每秒，因此，即使斐索把平面镜放在150公里外，光往返的时间也不过是1/1000秒。同时，齿轮的转速要足够快，否则就不知道反射回来的光是从第几个齿槽回来的了。
另外，这个齿轮的齿数要足够多，齿槽足够小，否则咱们夸张一点想，如果只有两个齿、露出那么大缝隙，还怎么观测光是什么时候射回来的。因此，斐索用的齿轮，一共有720个齿……不说别的，最起码做这个实验的人不能有密集恐惧症……
看得出来，这个实验的确聪明，但是影响因素比较多，而且距离的限制导致误差的影响会比较大。即便如此，斐索测得的光速也是非常精确的。经过28次重复试验，他得到的数值大约是31.33万公里每秒，和现代的精确数值仅仅差了5%。
傅科&麦克斯韦
看了斐索的实验，有一个人叹了一口气：这斐索还是不够聪明啊！费那么大劲转齿轮不辛苦吗？你转光的角度不好吗？
这个人，就是傅科。他最著名的成就，大概就是傅科摆了。通过傅科摆，证明了地球是有自转的。
他认为，斐索的实验不准确。他没有像斐索一样选择用齿轮的齿来遮挡光源，而是用一个镜子来代替齿轮，通过镜子的旋转，在特定角度可以看到光源，从而测量光速。这个方法，由于和下面的方法非常类似，所以下面一起介绍。
经过这个实验，傅科计算得到的光速是29.8万公里每秒，比斐索又精确得多了。
同时，著名的物理学大神，里程碑级人物麦克斯韦通过他的计算，发现了电磁波的传播速度。我们现在知道光是电磁波的一种，但当时的人还不知道，但是，麦克斯韦已经有这方面的想法了。可惜，还没等到验证，他就英年早逝了。
迈克尔孙
看了傅科的实验，有一个叫迈克尔孙的人觉得不好，认为傅科的实验也不精确。
于是，他设计了这一套装置。这个实验的原理和傅科的实验基本一样，只是把平面镜换成了八面镜。所以，只要懂得这个原理，傅科实验的原理你也就明白了。
实验装置
首先我告诉大家，他的基本原理和斐索差不多，大家就容易理解了。
迈克尔孙先准备了一个八面镜，也就是俯视为正八边形的棱镜。然后在它侧面的S点放置了一个光源，在另一侧观测。只有当八面镜转到图示的角度时，观察者才能观测到反射的光。
为什么呢？
因为只有这个角度，才能让光源在八面镜的一面反射到凹面镜M2上，然后再经由平面镜M3的反射和M2的二次反射，重新射到八面镜的另一面，然后再完美地射到观测者的眼中（平面镜的作用就是为了反射光和入射光平行，否则无法射回到八面镜上）。如果角度偏一点，光就无法实现这样的完美反射。
然后，我们让八面镜动起来。你会发现，当光源开始发光的时候，八面镜还是这个完美的角度；但是当光射回来的时候，八面镜已经转到别的角度了，所以观察者是看不见光的。
那么，什么时候观察者可以再看见光呢？
很简单，那就是当光从凹面镜射回到八面镜的时候，八面镜又恰好重新转回这个完美的角度。由于这是正八边形，所以最快的话，只需要转1/8圈，就能回到这个完美的角度了。
因此，迈克尔孙只需要一点点给八面镜加速，当他第一次看到光的时候，就是八面镜第一次在光反射回来时转到这个角度的时候，也就是1/8圈。
计算方法
这个计算非常简单，由于凹面镜M2和平面镜M3之间的距离，以及观察者、光源与八面镜M1的距离，都远远小于M2和八面镜之间的距离（应该很好理解吧，前面的都是几十厘米就够了，后者可能达到几十公里），所以可以忽略不计。
那么，光的行进距离，就是M1到M2的往返距离，而时间就是八面镜旋转了1/8圈的时间，这个时间只要用当时八面镜的转速就可以计算出来。用距离除以时间，就可以得到光速了。
利用这个方法，迈克尔孙测得的光速是299853±60 km/s。
要知道，现在人类测量光速的精确数据是299792458m/s，迈克尔孙的实验结果已经精确到惊人的地步了。
不过，科学家们求知的心不允许半点偏差的存在。那么，光速的最终数值到底是多少呢？我们普通人是否也可以测量光速呢？欢迎大家继续关注下一期【科学有道理】栏目哦~