为什么单向光速不可测？

我们昨天在前文介绍了光速在相对论中的绝对核心地位。约定光速各向同性而且是一个常数就相当于约定时间的均匀性、空间的均匀性和各向同性，光速不变原理隐含着时空的彭加莱对称性。本文基于前文上述解释，介绍为什么单向光速不可测。

其实历史上提出光速的测试方法不外乎单向测试和双向测试两类，而在400多年来，人类不断改进其中的测试方法，也只是技术上的不断进步带来精度上的不断提高而已。

(a)开普勒(1571—1630)；(b)笛卡尔(1596—1650)；(c)伽利略(1564—1

1676年，丹麦天文学家罗麦第一次提出了有效的光速测量方法。罗麦的理论得到了著名科学家惠更斯的赞同。惠更斯根据他提出的数据和地球的半径第一次计算出了光的传播速度：千米/秒。现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是千米/秒，很接近于现代实验室所测定的精确数值。

1725年，英国天文学家布莱德雷发现了恒星的“光行差”现象，以意外的方式证实了罗麦的理论。他用地球公转的速度与光速的比例估算出了太阳光到达地球需要8分13秒。这个数值较罗麦法测定的要精确一些。菜德雷测定值证明了罗麦有关光速有限性的说法。

应该说罗麦木蚀法和布莱德光行差法都是光速的单程测试方法，单程法无法得到光速的精确数值，而接下来的介绍是光速的双程测试方法，也是更精确的方法。很多反相人士热衷于单程光速的测量，其实他们是忽略了，异地时钟的同时难题，以及在速度达到光速的时候距离也是无法精确测量的实际问题。光速不变是相对论的一个硬性约定，也是没有办法的约定，因为如果不如此约定，一切测量都会失去实际意义。

斐索用旋转齿轮法测定光速示意图

1849年，法国人菲索第一次在地面上设计实验装置来测定光速。他的方法原理与伽利略的相类似。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光，平行光经过第二个透镜后又在平面镜上聚于一点，在平面镜上反射后按原路返回。由于齿轮有齿隙和齿，当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光，当光恰好遇到齿时就会被遮住。从开始到返回的光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间，根据齿轮的转速，这个时间不难求出。通过这种方法，菲索测得的光速是千米/秒。

斐索用旋转齿轮法测定光速示意图

1850年，法国物理学家傅科改进了菲索的方法，他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上，同样用平面镜的转速可以求出时间。傅科用这种方法测出的光速是 千米/秒。

1928年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1951年，贝奇斯传德用这种方法测出的光速是千米/秒。1950年，艾森提出了用空腔共振法来测量光速。这种方法的原理是，微波通过空腔时当它的频率为某一值时发生共振。根据空腔的长度可以求出共振腔的波长，在把共振腔的波长换算成光在真空中的波长，由波长和频率可计算出光速。1958年，弗鲁姆求出光速的精确值：.5±0.1千米/秒。1972年，埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：.4±0.1米/秒。

为什么必须约定光速不变？这是因为相对论是一个时空理论，在全空间定义统一的时间是研究时空理论的前提，我们必须要找到一种方法把静置在空间个点的钟同步。我们很容易想到：要想校对两地的时钟就必须首先知道两地的距离和信号传播的时间，这就造成了一个逻辑上的循环。要想突破这个逻辑循环，唯一的办法就是事先对信号传播的性质加以约定，或者说是规定。爱因斯坦在自己的第一篇狭义相对论论文《论运动物体的电动力学》中完成了校准静置与空间中个点的钟的理论工作，从而建立起全空间统一的时间。

可能有的小伙伴觉得这样的约定很不讲理，凭什么你爱因斯坦就可以做这样的权威性约定？但事实上，我们之前所用的所有使用周期性性运动来计时的方法都是默认约定这个周期性运动是等时性的。因为时间的流逝性，我们没有任何办法把一个周期性运动跟前一个或者是后一个周期性运动的时间间隔做比较。爱因斯坦的光速不变假定，也不过是这种等时性的一个推广。

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