出品：科普中国 　　

　　

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　　监制：中国科学院计算机网络信息中心 　　

　　

　　每个人在日常生活中肯定都有这种经历。在雷雨天气，我们总是先看到闪电，然后过很久才能听到雷鸣般的雷声。这其中的原因不难理解，就是光速比声速快得多。 　　

　　

　　闪电 　　

　　

　　声音在空气中的速度大约是340m/s，1马赫的速度就是声音在空气中的速度。对光来说，它的速度似乎是无限的。在日常生活中，光似乎可以瞬间从一个地方传播到另一个地方。举个例子，当我们打开手电筒时，我们可以看到手电筒发出的光几乎同时传播很远。其实光速是有限的，但是很大。 　　

　　

　　光速在空气中的速度大约是3 * 10 ^ 8米/秒，这个速度有多快？光一秒钟传播的距离可以绕地球赤道七圈半左右，也就是说几乎一眨眼的时间就可以毫不费力地环游世界。地球到月球的距离约为38万公里，往返一次只需要两秒多(实际上，地球到月球的准确距离是通过计算激光往返一次所需的时间得到的)。1969年人类第一次登上月球花了三天多的时间，可见光速有多快。光速是人类已知速度的上限，没有任何东西的移动速度能超过光速。既然光速这么快，科学家怎么知道光速的确切数值？ 　　

　　

　　激光测距 　　

　　

　　光速测量史 　　

　　

　　人类历史上首次测量光速是在1676年。当时丹麦天文学家奥勒罗默通过研究木星的卫星木卫一发现光速是有限的，并不是无限的，并由此估计出了光速的值。's估计的过程如下图所示： 　　

　　

　　光速的估计 　　

　　

　　大环是地球围绕太阳的轨道，小环是木卫一围绕木星的轨道。当地球远离木星(从L到K)和靠近木星(从F到G)时，木卫一脱离木星阴影的时间(从C到D)会发生变化。从这个变化可以知道，光速是有限的。再加上木卫一围绕木星公转的周期，地球公转的周期和公转速度，就可以估算光速了。这种方法估算的光速误差很大，约为2.210 ^ 8m/s，比实际值小26%。 　　

　　

　　在1728年，英国天文学家詹姆斯布拉德利进一步提高了光速的准确度。他所使用的是恒星的光行差.像差如下图所示。 　　

　　

　　像差示意图 　　

　　

　　像差，简单来说就是地球的运动，会改变恒星的方位。比如，假设无风天气下雨，雨滴会垂直落在你身上。当你以一定的速度奔跑时，雨滴会以另一个角度落在你身上，不再是垂直的。结合这个角度的变化和你的速度，就可以估算出雨滴的下落速度。利用同样的恒星像差，结合地球的公转速度和恒星角度的变化，可以估算出光速。用这种方法估算的光速约为3.01*10^8米/秒，误差仅为0.4%。 　　

　　

　　新思路：如何提升光速测量精度？ 　　

　　

　　首次准确在地球上，而不是依靠天体运动来测量光速的实验是在1849年由法国物理学家阿曼德斐索实行的，他使用的方法叫做齿轮测速法. 　　

　　

　　齿轮法光速测量 　　

　　

　　这种方法的关键在于齿轮的转速。齿轮从很低的转速开始逐渐加速。当转速上升到某个临界转速时，当齿轮转过两个齿的角度时，光线正好从远处的镜子上折回。这样，根据两个齿之间的角度和齿轮的转速，就可以计算出镜子之间的距离，从而计算出光速。假设齿轮的转速刚好为0，齿轮共有N个齿，远处的镜子距离观察者为L。那么光速=L**N/ 　　

　　

　　1849年阿曼德斐索用这个装置测得的光速为3.15 * 10 ^ 8米/秒，误差为5%。但随后，法国科学家莱昂福柯(Leon Foucault，用福柯摆演示地球自转的科学家)改进了这个装置的精度，用旋转的镜子代替了旋转的轮子，测得光速为2.98 * 10 ^ 8m/s，误差降低到0.0。直到1926年，这种方法一直被认为是测量光速的首选，其精度提高到0.001%左右。 　　

　　

　　齿轮测速仪可以准确可靠地测量光速值。不久之后(1861-1862)，伟大的麦克斯韦(1831-1879，苏格兰物理学家)出现了，他对麦克斯韦方程组进行了完美的描述。 　　

了电磁波的运动，他从方程组中得出电磁波的速度约为c=3*10^8m/s，非常接近当时光速的值，于是他大胆的猜测光就是一种特殊频率的电磁波。后来的实验确实证明了他的猜测。

　　

史上最伟大的物理学家之一―詹姆斯克拉克麦克斯韦

　　

当知道光是电磁波之后，我们就可以从另外一种方式得到准确的光速，那就是通过测量（真空磁导率）和（真空介电常数）来计算光速，也就是上面提到的c=。在1907年，美国科学家爱德华（Edward Bennett Rosa）和多尔西（N.E. Dorsey）通过这种方法给出了当时最精确的光速值2.99788*10^8m/s，误差仅仅为0.003%.。

　　

20世纪50年代以后，随着电子工业技术的发展， 各种测量光速的新技术相继出现，例如谐振腔法（1950年），无线电干涉法（1958年），激光干涉法（1972年）等。下面我们一一介绍。

　　

谐振腔法主要依据的物理原理就是光也是电磁波，因为任意波长的电磁波具有相同的速度，而电磁波的速度和它的波长和频率之间存在如下的关系： 速度=波长*频率。谐振腔法通过腔的尺寸可以很准确计算出里面电磁波的波长，而电磁波的频率又是已知的，因此，可以直接用上述公式计算出光的速度（或者说电磁波的速度）。

　　

最后一种要说的就是激光干涉法了。目前各种资料查到的光速的值 299792458m/s，是通过激光干涉法测量出来的。无线电干涉和激光干涉本质上是一样的，因为它们都使用的是电磁波，只是波长不相同而已。因此我们只介绍激光干涉法。

　　

想象一下水波，如下图所示，当两个水波相遇时，会产生干涉。当波峰和波峰（或波谷和波谷）相遇时，产生相加干涉，当波峰和波谷相遇时，会产生相消干涉。同样的道理对于光或者激光也是成立的。

　　

　　

水波干涉和波峰波谷示意图

　　

激光干涉条纹

　　

激光是一种高度相干的光，因此很适合用于进行干涉。从激光器发出的光的频率是已知的，精度可以达到10^-9赫兹 左右，波长的测量是通过法布里-珀罗干涉仪测量并和基准波长86-氪605nm的光谱线进行比较得到的，精度也可以达到10^-9m左右。由于激光干涉对于波长的要求非常的高，产生的干涉条纹和激光的波长密切相关，因此通过干涉条纹可以十分准确的计算出激光的波长。有了激光的频率和波长，就可以计算出光速了：光速=频率*波长。

　　

1972年通过激光干涉法测出的光速值是299792.4562±0.0011m/s, 这时当时能达到的最高的精度了，因为当时米的定义是通过86-氪605nm的光谱线给出的，它的精度限制了光速精度的进一步提高。

　　

不久后的1983年，国际计量大会直接规定光速的值为299792458m/s, 并且反过来用光速重新定义了米。也就是说现在的光速值是给定的，不会再改变了，精度也不会再继续提高了，因为它已经成了"米"这个基本单位的基准。所谓的基准，就是指"米"这个单位的最高精度是由光速的值给出的，因为光速值具有很好的稳定性和重复性。

　　

从光速测量的历史可以看出，科学的进步并不是一蹴而就的，有时候需要好几代科学家的不懈努力才能实现。光速测量精度的不断提高，到现在成了一个确定的值，这对于物理学的发展来说十分重要。因为光速是物理中一个重要的常数，著名的质能方程 E=mc^2， 狭义相对论中的"尺缩钟慢"效应，广义相对论中的引力波，时空弯曲等等，都和光速密切相关。