[物理史] 菲左（Armand Fizeau）發表光速實驗的結果

菲左（Armand Fizeau）發表光速實驗的結果
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2010年7月）

菲左（Armand Fizeau）

光速在物理學上是最為確立的數值之一，它被測得的值非常精確，所以現在的公尺以它來定義。但在 17 世紀之前，大多數的科學家，包括如克卜勒（Johannes Kepler）和笛卡兒（Rene Descartes）等大師都認為光速是無窮快的，可以瞬間行走任何的距離。伽利略（Galileo Galilei）是最先對此假設提出質疑，並試著以實驗方法測量光速的科學家之一。

以現在的標準來看，伽利略的方法極為簡陋。他自己站在一個山頂上，請一位助理站在遠處的山頂上，兩人均配備有一個可自由開關的燈。伽利略會打開他的燈，他的助理一看到伽利略的燈光也會立即開燈。只要知道兩個燈的距離，伽利略即可測定兩道亮光之間所經過的時間，以算出光速。伽利略的結論含糊不確定不足為奇：「光速如果不是瞬間，也是超級快速。」但他卻也下結論說，光速至少比聲速快 10 倍。 

最先嚴謹地測量光速是在 1676 年，當時荷蘭天文學家羅默（Ole Roemer）觀察木星的衛星，注意到衛星蝕似乎都發生在不同的時期，視木星和地球的相對位置而定，當地球很遠時會發生得較晚，而當地球較靠近木星時則發生得較早。他正確地推論說，此效應並不是因為衛星的軌道有真正的改變，而是因為當地球很遠時，那些衛星的光行經較遠的距離。他知道那時已知的地球運行軌道的直徑值，從那直徑值，他下結論說，光速為每秒 240,000 公里。

羅默的測量和實際值仍差很多，然而它為未來的實驗提供了有用的指標。1728 年，一位名叫布拉德雷（James Bradley）的英國物理學家從累積的資料庫中加入了他自己的發現，利用恆星光行差計算出光速在真空中是每秒 301,000 公里。布拉德雷的測量正確多了。然而，又經過了 100 年，法國科學家菲左（Armand-Hippolyte-Louis Fizeau）才想出了在地面上設計實驗來測光速的方法。

1819 年，菲左出生於巴黎，父親是物理學家，也是醫學教授，死後留給菲左可觀的財富，因此，菲左不必擔心生計問題，可以自由地追求他的興趣。他專力於科學的研究，起先想和父親一樣當個醫生，但最終選擇追隨在巴黎天文台的阿拉戈（Francios Arago）研習天文，在那裏他毫無疑問地獲知之前使用天文現象來測定光速的努力。

但是他的科學興趣很廣泛，例如，他於 1839 年迷戀上當時相當新穎的達蓋爾銀版攝影，並和法國科學家同行傅科（Jean-Bernard-Leon-Foucault）將此攝影過程應用到天文上。他們共花了 10 年，終於最先於 1845 年拍下了太陽表面細部的照片。

他和傅科的研究激勵了菲左自己去嘗試測量光速。菲左建造了一個儀器，裏面有一個齒輪和一面鏡子相隔 8 公里，他在其間傳送光波。菲左轉動齒輪，觀察光束在輪子的輪齒和遠處的鏡子之間走得有多快；他觀察到，假如他非常快速地轉動輪子，從鏡子回來的反射會模糊，因為光碰撞到了其中一個輪齒。

菲左下結論說，輪子轉動一個輪齒寬所花的時間和光束來回鏡子的時間是相同的。因為他知道齒輪轉動的速度、一個輪齒的寬度、以及和鏡子間的距離，所以可以計算出光速，得到的值是每秒 313,300 公里，仍多出大約 5%。

傅科稍加改進菲左的儀器，以旋轉的鏡子取代齒輪，得到現在為人所知的菲左–傅科儀。當鏡子轉動時，光線會從不同的角度反射。因為轉動的速度和鏡子間的距離都已固定好，所以可以測量光進入儀器的角度和它離開時的差距，從而算出光速。傅科於 1862 年下結論說，光速是每秒 299,796 公里。

菲左對科學的貢獻並不僅限於光速的測定，他之後在測量光如何行經流動液體的實驗時獲得了意外的發現：當光行經運動中的介質時，速度不會如預期地改變。科學家已知光行經不同介質時的速率不同，但直到菲左的實驗之前，他們相信假如介質是動態時，只要將介質的速度加上光的速度即可得到光速。菲左的結果意味著不同的公式，後來當愛因斯坦發展出他的特殊相對論後，對此得到了解釋。

之後測量光速的方法都使用波的干涉，而邁克生是其中的佼佼者。這些方法隨著雷射科技的發展而越來越精確，現在，距伽利略山頂上的實驗 350 多年後，光速值被定義為每秒 299,792.458 公里，這是 1983 年第 17 屆國際度量衡大會所宣定的，而將公尺變成了推導量。此結果是由 100 多位科學家所做的大約 163 個不同的實驗所獲得，是科學界合作本質的證明。

原文刊載於物理雙月刊2014年8月號36卷第4期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。