[科普中國]-光速

簡介

光波或電磁波在真空或介質(zhì)中的傳播速度。真空中的光速是目前所發(fā)現(xiàn)的自然界物體運動的最大速度。

它與觀測者相對于光源的運動速度無關，即相對于光源靜止和運動的慣性系中測到的光速是相同的。物體的質(zhì)量將隨著速度的增大而增大，當物體的速度接近光速時，它的質(zhì)量將趨于無窮大，所以有質(zhì)量的物體達到光速是不可能的。只有靜止質(zhì)量為零的光子，才始終以光速運動著。光速與任何速度疊加，得到的仍然是光速。速度的合成不遵從經(jīng)典力學的法則，而遵從相對論的速度合成法則1。

發(fā)展歷程真空中的光速（speed of light/ velocity of light）是自然界物體運動的最大速度。光速與觀測者相對于光源的運動速度無關。物體的質(zhì)量將隨著速度的增大而增大，當物體的速度接近光速時，它的動質(zhì)量將趨于無窮大，所以質(zhì)量不為0的物體達到光速是不可能的。只有靜質(zhì)量為零的光子，才始終以光速運動著。光速與任何速度疊加，得到的仍然是光速。真空中的光速是一個重要的物理常量。

真空光速定義值：c0=299792458m/s

光速計算值:c0=299792.458km/s (一般取300000km/s）作用：當某物體運動速度相對于另一物體接近光速，某物體的時間相對于另一物體減慢，時間變化符合洛倫茲變換。（二十世紀七十年代通過衛(wèi)星和地面天文臺觀測日食的同一時間位置的不同得以證實）光速是目前已知的最大速度，物體達到光速時動能無窮大，所以按當前人類的認知來說達到光速不可能，所以光速、超光速的問題不在物理學討論范圍之內(nèi)。

自20世紀初起，我們的理論一直受制于愛因斯坦驗證的光速極限，即每秒186282英里(約合每秒30萬公里)。即使我們把宇宙飛船加速到這一速度，到達距離我們最近的恒星系統(tǒng)半人馬座阿爾法星(距離我們大約4.3光年)并返回，也需要近十年時間。此外，宇宙飛船本身還要考慮能量限制。因此，必須要實現(xiàn)突破光速極限才有可能實現(xiàn)這些目的?？茖W家們實施了許多相關的實驗，比如由美國普林斯頓大學科學家王利軍(Lijun Wang)于2000年進行的實驗和德國科學家于2007年進行的實驗都取得了一定的進展。最初，科學家們堅信沒有任何物質(zhì)或信息能夠突破光速，但光脈沖卻能夠做到。在真空狀態(tài)下，在不同位置測到的光脈沖似乎以一種難以置信的速度在傳播。不過，這一速度仍然無法對我們太空旅行提供太大的幫助。2007年的實驗仍然存在爭議。

貝勒大學物理學教授杰拉德-克利弗爾認為，在“量子糾纏”現(xiàn)象中，信息的傳播速度似乎比光速快。2007年和2008年的兩次實驗表明，“量子糾纏”的速度至少是光速的1萬倍。未來實現(xiàn)超光速的方法可能是跳躍到多維空間中。美國宇航局突破推進物理學計劃前負責人馬克-米利斯現(xiàn)致力于研究星際旅行，他表示，“肯定還有我們沒發(fā)現(xiàn)的物理學領域?！泵桌古e例指出，暗物質(zhì)和暗能量或許能夠為我們帶來曙光。

真空中的光速等于299,792,458米/秒（1,079,252,848.88千米/小時）。[2]這個速度并不是一個測量值，而是一個定義。它的計算值為（299792500±100）米/秒。國際單位制的基本單位米于1983年10月21日起被定義為光在1/299,792,458秒內(nèi)傳播的距離。使用英制單位，光速約為186,282.397英里/秒，或者670,616,629.384英里/小時，約為1英尺/納秒。

在任何透明或者半透明的介質(zhì)（比如玻璃和水）中，光速會降低；光在真空中的速度和光在某種介質(zhì)中的速度之比就是這種介質(zhì)的折射率。重力的改變能夠彎曲光所傳播的空間，使光像通過凸透鏡一樣發(fā)生彎曲，看上去繞過了質(zhì)量較大的天體。光彎曲的現(xiàn)象叫做引力透鏡效應，根據(jù)變化了的光線在光譜外波段呈現(xiàn)的不規(guī)則程度，可以推算發(fā)光星系的年齡和距離。

2011年9月22日，意大利物理學家在OPERA實驗中發(fā)現(xiàn)了一種超出光速40322.58分之一的中微子，如果實驗數(shù)據(jù)確鑿無誤，愛因斯坦的相對論將會受到挑戰(zhàn)。但是隨后便發(fā)現(xiàn)，該實驗結(jié)果為設備線路接錯而造成。該實驗結(jié)果于2012年6月8日被該小組宣布撤銷.根據(jù)愛因斯坦的相對論，沒有任何物體或信息運動的速度可以超過真空中的光速(c)。

介質(zhì)影響令 ， 且設v是靜止介質(zhì)中的光速，u是介質(zhì)的運動速度，v'是所要求得的運動介質(zhì)中的光速。另請不要在意下文矢量的書寫

光在不同介質(zhì)中的速度不同，由于光是電磁波，因此光速也就依賴于介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導率。在各向同性的靜止介質(zhì)中，光速是一個小于真空光速c的定值。如果介質(zhì)以一定的速度運動，則一般求光速的方法是先建立一個隨動參考系，其中的光速是靜止介質(zhì)中的光速，然后通過參考系變換得到運動介質(zhì)中的光速；或者可以直接用相對論速度疊加公式去求運動介質(zhì)中的光速。

光和聲雖然都具有波動性質(zhì)，但兩者波速的算法是完全不同的。以聲音實驗為例：空氣對地面靜止，第1次我們不動測得我們發(fā)出的聲音1秒鐘前進了300米；第二次我們1秒鐘勻速后退1米，測得聲音距我們301米，得到結(jié)論：兩次聲音相對地面速度不變，相對我們，第一次300米/秒；第2次301米/秒。在牽涉到的速度遠小于光速的情況下，聲速滿足線性疊加。

換做光實驗，我們用玻璃介質(zhì)再做一次，靜止玻璃中的光速，在各個方向上都是相等的。我們再做一個我們不動，讓玻璃勻速運動的實驗，會發(fā)現(xiàn)光對玻璃的速度在不同方向上是不等的，但不是簡簡單單的線性疊加了，而是遵循相對論速度疊加：

其實在前述聲速實驗中，聲速嚴格來講遵循的也是相對論速度疊加，只是若u、v都遠小于光速c，則式子中 是個很小的值，近似略去之后就得v'≈v+u，回到經(jīng)典的線性疊加形式。

所以，千萬不可以用低速條件下機械波的近似規(guī)律去硬套光波。作為狹義相對論基本假設之一的光速不變原理，永遠指的是真空中的光速c不變，它是基本物理常數(shù)之一。如果有介質(zhì)，就需要利用相對論速度疊加公式去求光速，切忌用簡單線性疊加。對光速不變原理的正確理解，是正確理解狹義相對論的關鍵之一。

不同介質(zhì)中有不同的光速值。1850年菲佐用齒輪法測定了光在水中的速度，證明水中光速小于空氣中的光速。幾乎在同時，傅科用旋轉(zhuǎn)鏡法也測量了水中的光速（ ），得到了同樣結(jié)論。這一實驗結(jié)果與波動說相一致而與牛頓的微粒說相矛盾(解釋光的折射定律時)，這對光的波動本性的確立在歷史上曾起過重要作用。1851年，菲佐用干涉法測量了運動介質(zhì)中的光速，證實了A.-J.菲涅耳的曳引公式。[玻璃中光速 ]

光在玻璃中的速度：

光在酒精中的速度：

光在水中的速度：

光在冰中的速度：

光在真空中的速度：

質(zhì)能方程推導

第一步：要討論能量隨質(zhì)量變化，先要從量綱得知思路：

能量量綱 ，即能量量綱等于質(zhì)量量綱和長度量綱的平方以及時間量綱的負二次方三者乘積。

我們需要把能量對于質(zhì)量的函數(shù)形式化簡到最簡，那么就要求能量函數(shù)中除了質(zhì)量，最好只有一個其它的變量。

把 化簡，可以得到只有一個量綱-速度量綱[V]的形式：[V]×[V]。

也就是[E]=[M][V]×[V]

可見我們要討論質(zhì)能關系，最簡單的途徑是從速度下手。

第二步：先要考慮能量的變化 與能量的變化有關的有各種能量形式的轉(zhuǎn)化，其中直接和質(zhì)量有關的只有做功。

那么先來考慮做功對于能量變化的影響。

當外力 作用在靜止質(zhì)量為m0的質(zhì)點上時，每產(chǎn)生 的位移，物體能量增加

。

考慮最簡化的 外力與位移方向相同的情況，上式變成

第三步：怎樣把力做功和速度v變化聯(lián)系起來呢？也就是說怎樣來通過力的作用效果來得出速度的變化呢？

我們知道力對物體的沖量等于物體動量的增量。那么，通過動量定理，力和能量就聯(lián)系起來了：

第四步：上式中顯然還要參考m質(zhì)量這個變量，而我們不想讓質(zhì)量的加入把我們力和速度的關系復雜化。我們想找到一種辦法約掉m，這樣就能得到純粹的速度和力的關系。

參考 和 ，我們知道，

那么可以得到

如果考慮最簡單的形式：當速度改變和動量改變方向相同：

dE=vdP

第五步：把上式化成能量和質(zhì)量以及速度三者的關系式（因為我們最初就是要討論這個形式）：

∵dP=d(mv)，∴dE=vd(mv)

第六步：把上式按照微分乘法分解

這個式子說明：能量的增量含有質(zhì)量因速度的增加而增加（量為dm）所產(chǎn)生的能量增量和單純速度增加產(chǎn)生的能量增量2個部分。（這個觀點非常重要，在相對論之前，人們雖然在理論物理推導中認識到質(zhì)量增加也會產(chǎn)生能量增量，但是都習慣性認為質(zhì)量不會隨運動速度增加而變化，也就是誤以為dm恒定為0，這是經(jīng)典物理學的最大錯誤之一。）

第七步：我們不知道質(zhì)量隨速度增加產(chǎn)生的增量dm是怎樣的，要研究它到底如何隨速度增加（也就是質(zhì)量增量dm和速度增量dv之間的直接關系）：

根據(jù)洛侖茲變換推導出的靜止質(zhì)量 和運動質(zhì)量m公式：

化簡成整數(shù)次冪形式：

化成沒有分母而且m和 分別處于等號兩側(cè)的形式（這樣就是得到運動質(zhì)量m對于速度變化和靜止質(zhì)量的純粹的函數(shù)形式）：

用上式對速度v求導得到 （之所以要這樣做，就是要找到質(zhì)量增量dm和速度增量dv之間最直接的關系，我們這一步的根本目的就是這個）：

(注意式子等號右邊是常數(shù)的求導，結(jié)果為0)

即

即

即

約掉公因式2m(肯定不是0，呵呵，運動質(zhì)量為0？沒聽說過)

得到：

即

由于dv不等于0（我們研究的就是非靜止的情況，運動系速度對于靜止系的增量當然不為0）

這就是我們最終得到的dm和dv的直接關系

第八步：有了dm的函數(shù)，代回到我們第六步的能量增量式

這就是質(zhì)能關系式的微分形式，它說明：質(zhì)量的增量與能量的增量成正比，而且比例系數(shù)是常數(shù)

最后一步：推論出物體從靜止到運動速度為v的過程中，總的能量增量：

對上一步的結(jié)論進行積分，積分區(qū)間取質(zhì)量從靜止質(zhì)量 到運動質(zhì)量m，得到

即

這就是 物體從靜止到運動速度為v的過程中，總的能量增量。

其中

稱為物體靜止時候的靜止能量。

稱為物體運動時候的總動能（運動總能量）,，此時請注意m為運動狀態(tài)物體的相對論質(zhì)量。

總結(jié)：對于任何已知運動質(zhì)量為m的物體，可以用 直接計算出它的運動動能。

相關理論在20世紀愛因斯坦狹義相對論中質(zhì)能等價理論的推論，即著名的方程式 ，式(質(zhì)能方程)中為E能量，單位電子伏特（eV），m為質(zhì)量，c為光速；也就是說，一切物質(zhì)都潛藏著質(zhì)量乘以光速平方的能量。一個靜止的物體，其全部的能量都包含在靜止的質(zhì)量中。一旦運動，就要產(chǎn)生動能。由于質(zhì)量和能量等價，運動中所具有的能量應加到質(zhì)量上，也就是說，運動的物體的質(zhì)量會增加。當物體的運動速度遠低于光速時，增加的質(zhì)量微乎其微，如速度達到光速的10%時，質(zhì)量只增加0.5%。但隨著速度接近光速，其增加的質(zhì)量就顯著了。如速度達到光速的86.6%時，其質(zhì)量增加了一倍。這時，物體繼續(xù)加速就需要更多的能量。當速度趨近光速時，質(zhì)量隨著速度的增加而成幾何倍數(shù)上升，速度無限接近光速時，質(zhì)量趨向于無限大，需要無限多的能量。因此，任何物體的運動速度不可能達到光速，只有質(zhì)量為零（在宇宙大爆發(fā)時，即大爆炸初始普朗克時期開端之間有很多能量不為0的粒子的質(zhì)量為0）的粒子才可以以光速運動，如因科學研究虛構(gòu)的“光子”、“引力子”這個名稱。

真空中的光速是一個物理常數(shù)（符號是c），等于299,792,458m/s。

注：光速的方向不恒定。如果在光運行時施加力，那么光的方向進而速度矢量會產(chǎn)生一定的改變。

丹麥天文學家羅默（OleRomer）在17世紀首次成功地計算出光速。他使用木星的一顆衛(wèi)星有規(guī)律的軌道運動作為計時器，每次這顆衛(wèi)星被巨大的行星（木星）所掩食，他便記錄下一個“滴答”。但他發(fā)現(xiàn)，從地球上觀察，這些滴答的出現(xiàn)并不像預想的那么規(guī)律，在一年之中會時而快幾分鐘，時而慢幾分鐘。

羅默計算出，這些時延是木星和地球在繞太陽運動時它們之間的距離變化所引起的。通過計算一年里地球、木星及其衛(wèi)星在軌道上的相對位置，他算出了光穿過宇宙空間的速度。羅默于1676年向法國科學院提交了他的結(jié)果，數(shù)值與目 前被接受的值之差不超過30%。

對光之本性的理論探討也使人們對光速有所了解。19世紀60年代中期，蘇格蘭科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋創(chuàng)建了一組方程，描述電磁場在空間中的行為。這個方程的一個解表明，電磁波在真空中必須以約為每秒30萬公里的速度傳播，與羅默及其后人的測量結(jié)果相當接近。

倫敦皇家研究院的邁克爾?法拉第用電場和磁場的概念解釋靜電力和磁場力，并表明光會受到磁場影響。這證實了可見光事實上是電磁波譜中的一部分。對電磁波譜其它部分——微波，紅外線，紫外線，X射線和γ射線——傳播速度的直接測量表明，它們在真空中都有相同的速度。用于測量光速的實驗不斷地變得更精確。到20世紀50年代，電子計時裝置已經(jīng)取代了古老的機械設備。20世紀80年代，通過測量激光和頻率（f）和波長（λ），運用c=fλ公式計算出了光速（c）。這些計算以米和秒的標準定義為基礎，就像現(xiàn)在一樣，1米定義為氪-86源產(chǎn)生的光的波長的1,650,763.73倍，1秒則定義為銫-133原子超精細躍遷放出的輻射頻率的9,192,631,770倍。這使得c達到非常高的精度，誤差只有十億分之幾。

1983年，光速取代了米被選作定義標準，約定為299,792,458m/s，數(shù)值與當時的米定義一致。秒和光速的定義值，表示1米從此定義為光在真空中 秒內(nèi)走過的距離。因此自1983年以來，不管我們對光速的測量作了多少精確的修正，都不會影響到光速值，卻會影響到米的長度。你有多高事實上是由光速定義的。

但光速還定義著比長度更加基本的東西。阿爾伯特·愛因斯坦的工作表明了光速的真正重要性。由于他的功勞，我們知道，光速不僅僅是光子在真空中運動的速度，還是連接時間與空間的基本常數(shù)。

愛因斯坦年輕的時候曾經(jīng)問自己，如果人運動的速度快到足以跟上光的腳步，光看起來是什么樣子的。理論上它看上去像是你身邊一個靜止的峰，但愛因斯坦知道，麥克斯韋方程組不允許這種結(jié)果出現(xiàn)。他得出結(jié)論認為，要么是麥克斯韋的理論不適用于運動中的觀察者，要么是相對運動力學需要更改。

愛因斯坦在他1905年發(fā)表的狹義相對論里解決了這個問題。這一理論基于一個通用原則：相對任何以恒定速度運動的觀察者來說，不管這個速度是多少，物理原理及光速都是一樣的。愛因斯坦的狹義相對論使我們對時間和空間的觀念發(fā)生了革命性的變化，強調(diào)了光速在物理學中的根本地位。

想象你在一枚火箭里，與一道激光脈沖一同沖入宇宙空間。地球上的觀察者會看到這一脈沖以光速遠去。無論你相對于地球運動的速度為多少，譬如光速的99%罷，光線仍以光速超越你。看起來似乎很荒謬，但這是真的。使這為真的唯一途徑，就是你火箭中的居住者和地球表面的觀察者以不同方式衡量時間和空間。

時間與空間看上去當然是不同的，這依賴于你是在地球上還是在宇宙空間里。愛因斯坦的廣義相對論將引力描述為時空幾何結(jié)構(gòu)的扭曲。這種說法的一個推論，就是始終沿可能的最短路徑穿越時空的光線，在大質(zhì)量物體附近會彎曲。這在1919年日食期間觀測掠過太陽附近的星光被太陽的質(zhì)量所彎曲而得到證明。這一觀測使愛因斯坦的理論最終得到接受，并為他贏得了世界性的聲譽。

但按照基本力學原理，如果光線偏轉(zhuǎn)，它會被加速。這是否將使光速發(fā)生變化，動搖相對論的根本原則？在某種意義上是對的：我們從地球上觀察到的光速，在它從太陽附近經(jīng)過時確實會變化。然而相對論和光速不變原理不能被拋棄。

愛因斯坦認識到，引力是無法自由運動的觀察者們經(jīng)歷的某種幻象。想象從一堵墻上跳下。在自由落體的過程中，你不會感動周圍的引力作用，但任何在地面上瞧著你落下來的人，都會解釋說你的運動是引力的作用所致。同樣的說法對空間站中的宇航員也適用：他們被提及時總是說成是處在“零重力”環(huán)境里，但從地球的表面往上看，我們會用引力吸引來解釋他們繞地球的軌道運動。所以當我們從地球上觀察時，經(jīng)過太陽附近的光線看上去彎曲、加速了，但如果我們自由落體地落向太陽，光線看上去會以恒速沿直線經(jīng)過我們身邊。對任何自由落體的觀察者來說，經(jīng)過他的光線都以恒定速度運動。不過，它在掠過扭曲其附近時空的大質(zhì)量物體時，看上去會彎曲和加速。這表明，引力不能被理解為一個場力，而是應該理解為時空的一種內(nèi)稟特性。

相對論另一個奇怪的推論是，沒有任何物體能加速到光速。不管我們建造動力多么強勁的火箭飛船，它們也永遠不能到達光速。這是因為物體運動得越快，其動能越大，慣性也越大。愛因斯坦在他的質(zhì)能方程中指出，能量和質(zhì)量或者說慣性相關聯(lián)。因此一個物體的動能增加，它的慣性也增加，從而越來越難繼續(xù)加速。這是一個收益遞減原理：你對一個物體做的功越多，它就變得越重，加速的效果也越微弱。

把單一電子加速到光速，就需要無限的能量，粒子物理學家們對這一限制深有感觸。質(zhì)子進入美國伊利諾伊州Batawia費米實驗室的Tevatron加速器時，它們的速度已經(jīng)達到光速的99%。加速器的最后階段使質(zhì)子的能量提高了100倍，但速度僅增加到光速的99.99995%，與它們進入加速器的速度相比，提高不足1%。

不過，一直與相對論有沖突的量子理論看上去是允許物質(zhì)以大于光速的速度運動的。在20世紀20年代，量子論顯示一個系統(tǒng)相隔遙遠的不同組成部分能夠瞬時聯(lián)系。例如，當一個高能光子衰變成兩個低能光子時，它們的狀態(tài)（例如，是順時針或逆時針自旋）是不定的，直到對它們中間的某一個作出觀察才確定下來。另一個粒子看上去感知到它的同伴被進行了一次觀測，結(jié)果是任何對第二個粒子的測量總會得到與對第一個粒子的測量相一致的結(jié)果。這樣遠距離的瞬時聯(lián)系，看起來像是一個訊息以無限大的速度在粒子之間傳遞了。它被愛因斯坦稱為“幽靈式的超距作用”，聽起來難以置信，但卻是真實的現(xiàn)象。

1993年，加利福尼亞大學伯克利分校的RaymondChiao表明，量子理論還允許另一種超光速旅行存在：量子隧穿。想象朝一堵堅實的墻上踢一個足球，牛頓力學預言它會被彈回，但量子力學預言它還有極小的可能出現(xiàn)在墻的另一面?？紤]這種情況的一種途徑，是想象它能“借”到足夠的能量穿越墻壁，并在到達另一面之后立即將能量歸還。這并不違反物理定律，因為最終能量、動量和其它屬性都得到了保存。德國物理學家維納·海森堡的測不準原理表明，在一個系統(tǒng)中，總有某些屬性——在這一情況中是能量——的值是不能確定的，只能確定在一個區(qū)間內(nèi)，因此量子物理學原理允許系統(tǒng)利用這種不確定性，短時間借到一些額外的能量。在隧穿的情況中，粒子從障礙物的一面消失又從另一面重現(xiàn)的需要幾乎可以忽略不計，障礙物可以任意的厚——不過隨著厚度增加，粒子隧穿的幾率也就迅速地朝零的方向遞減，但請注意，不會等于0（如若這樣，海森堡原理就會被反對，因為0測值為0是確定的）。

Chiao通過測量可見光光子通過特定過濾器的隧穿時間，證明了隧穿“超光速”的隧穿效應存在。為此，他讓這些光子與在相似時間內(nèi)穿過真空的光子進行比較。結(jié)果隧穿光子先到達探測器，Chiao證明它們穿越過濾器的速度可能為光速的1.7倍。

1994年，維也納技術大學的FerencKraus表明，隧穿時間有一個不依賴于障礙物厚度的上限，這表示光子隧穿障礙物的時間沒有上限。德國科隆大學的GunterNimtz也用微波實現(xiàn)了這種“超光速”。他甚至把莫扎特第40號交響曲調(diào)制在信號上，以4.7倍光速的速度將它傳輸通過12厘米厚的障礙物。

研究歷史真空中的光速是一個物理常量，國際公認值為c=299792458m/s。17世紀前人們以為光速為無限大，意大利物理學家G.伽利略曾對此提出懷疑，并試圖通過實驗來檢驗他設想，在距離很遠的兩個地方，兩人互相用燈光傳遞信號，最終沒能成功。

艾薩克·牛頓也接受光速是有限的觀念，在他1704年出版的書《光學》中，他提出光每秒鐘可以橫越地球16.6次（相當于210,000公里/秒，比正確值低了30%）。這似乎是他自己的推斷（不能確知他是否有引用或參考羅默的數(shù)據(jù)）。

1676年，丹麥天文學家奧勞斯·羅默（1644~1710）利用木星衛(wèi)星的星蝕時間變化證實光是以有限速度傳播的。他利用木星的木衛(wèi)一在木星在木星圓面上的投影作周期性變化的現(xiàn)象，第一次定量的估計出光速。艾歐的公轉(zhuǎn)軌道可以用來計算時間，因為它會規(guī)律的進入木星的陰影中一段時間。羅默觀測到當?shù)厍蛟谧罱咏拘菚r，艾歐的公轉(zhuǎn)周期是42.5小時，當?shù)厍蜻h離木星時，艾歐從陰影中出現(xiàn)的時間會比預測的越來越晚，很明顯的是因為木星與地球的距離增加，使得"信號"要花更多的時間傳遞。光要通過行星之間增加的距離，使得計時的信號在第一次和下一次之間因而延長了額外的時間。當?shù)厍蛳蚰拘墙咏鼤r，情形則正好相反。羅默觀測到艾歐在接近的40 個軌道周期中周期比遠離的40個軌道周期縮短了22分鐘。以這些觀測為基礎，羅默認為在80個軌道周期中光線要多花費22分鐘行走艾歐與地球之間增加的距離。這意味著地球經(jīng)歷了80個艾歐軌道周期（42.5小時）的時間，光線只要花22分鐘。這對應于一個地球在軌道上繞著太陽運動和光速之間的一個比例。意味著光速是地球的軌道速度的9,300倍，與現(xiàn) 在的數(shù)值10,100倍比較，相差較小。但是因為這種觀測是很困難的，因而日后被其他的方法所取代。

在當時，天文單位的估計數(shù)值是大約1億4千萬公里。克里斯蒂安·惠更斯結(jié)合了天文單位和羅默的時間估計，每分鐘的光速是地球直徑的1,000倍，他似乎誤解了羅默22分鐘的意思，以為是橫越地球軌道所花費的時間。這相當于每秒220,000公里（136,000英里），比現(xiàn) 在采用的數(shù)值低了26%，但仍比當時使用其他已知的物理方法測得的數(shù)值為佳。

即使如此，靠著這些觀測，光速是有限的仍不能被大眾滿意的接受（著名的有吉恩·多米尼克·卡西尼），直到在詹姆斯·布雷德里（1728）的觀測之后，光速是無限的想法才被揚棄。布雷德里推論若光速是有限的，則因為地球的軌道速度，會使抵達地球的星光有一個微小角度的偏折，這就是所謂的光行差，他的大小只有1/200度。布雷德里計算的光速為298,000公里/秒（185,000英里/秒），這與現(xiàn) 在的數(shù)值只有不到1%的差異。光行差的效應在19世紀已經(jīng)被充分的研究，最著名的學者是瓦西里·雅可夫列維奇·斯特魯維。

1849年，法國物理學家A.H.L.菲佐用旋轉(zhuǎn)齒輪法首次在地面實驗室中成功地進行了光速測量，最早的結(jié)果為c=315000千米/秒。1862年，法國實驗物理學家J.-B.-L.傅科根據(jù)D.F.J.阿拉戈的設想用旋轉(zhuǎn)鏡法測得光速為c=(298000±500)千米/秒。19世紀中葉J.C.麥克斯韋建立了電磁場理論，他根據(jù)電磁波動方程曾指出，電磁波在真空中的傳播速度等于靜電單位電量與電磁單位電量的比值，只要在實驗上分別用這兩種單位測量同一電量(或電流)，就可算出電磁波的波速。1856年，R.科爾勞施和W.韋伯完成了有關測量，麥克斯韋根據(jù)他們的數(shù)據(jù)計算出電磁波在真空中的波速值為3.1074×10^5千米/秒，此值與菲佐的結(jié)果十分接近，這對人們確認光是電磁波起過很大作用。

1926年，美國物理學家A.A.邁克耳孫改進了傅科的實驗，測得c=(299796±4)千米/秒，他于1929年在真空中重做了此實驗，測得c=299774千米/秒。后來有人用光開關(克爾盒)代替齒輪轉(zhuǎn)動以改進菲佐的實驗，其精度比旋轉(zhuǎn)鏡法提高了兩個數(shù)量級。1952年，英國實驗物理學家K.D.費羅姆用微波干涉儀法測量光速得c=(299792.50±0.10)千米/秒。此值于1957年被推薦為國際推薦值使用，直至1973年。

1972年，美國的K.M.埃文森等人直接測量激光頻率ν和真空中的波長λ，按公式 （其中v為真空中電磁波的速度， 為真空磁導率， 為真空介電常數(shù)）算得c=(299792458±1.2)米/秒。1975年第15屆國際計量大會確認上述光速值作為國際推薦值使用。1983年17屆國際計量大會通過了米的新定義，在這定義中光速c=299792458米/秒為規(guī)定值，而長度單位米由這個規(guī)定值定義。既然真空中的光速已成為定義值，以后就不需對光速進行任何測量了。

1983年，光速取代了保存在巴黎國際計量局的由90%鉑和10%銥的合金制成的米原器被選作定義“米”的標準，并且約定光速嚴格等于299,792,458m/s，此數(shù)值與當時的米的定義和秒的定義一致。后來，隨著實驗精度的不斷提高，光速的數(shù)值有所改變，米被定義為 秒內(nèi)真空中光通過的路程。

1849年，菲索用旋轉(zhuǎn)齒輪法求得 。他是第一位用實驗方法，測定地面光速的實驗者。 實驗方法大致如下：光從半鍍銀面反射后，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的齒輪投向反射鏡，再沿原路返回。如果齒輪轉(zhuǎn)過一齒所需的時間，正好與光往返的時間相等，就可透過半鍍銀面觀測到光，從而根據(jù)齒輪的轉(zhuǎn)速計算出光速。

1862年，法國的傅科用旋轉(zhuǎn)鏡法測空氣中的光速，原理和斐索的旋轉(zhuǎn)齒輪法大同小異，他的結(jié)果是 。

第三位在地面上測到光速的是考爾紐。1874年他改進了菲索的旋轉(zhuǎn)齒輪法，得 。

阿爾伯特·邁克耳孫改進了傅科的旋轉(zhuǎn)鏡法，多次測量光速。1879年，得 c = (2.99910±0.00050) ×10^8m/s ；1882年得 。后來，他綜合旋轉(zhuǎn)鏡法和旋轉(zhuǎn)齒輪法的特點，發(fā)展了旋轉(zhuǎn)棱鏡法，1924～1927年間，得 。

邁克耳遜在推算真空中的光速時，應該用空氣的群速折射率，可是他用的卻是空氣的相速折射率。這一錯誤在1929年被經(jīng)改正后，1926年的結(jié)果應為 。

后來，由于電子學的發(fā)展，用克爾盒、諧振腔、光電測距儀等方法，光速的測定，比直接用光學方法又提高了一個數(shù)量級。

60年代雷射器發(fā)明，運用穩(wěn)頻雷射器，可以大大降低光速測量的不確定度。

1973年達0.004 ppm，終于在1983年第十七屆國際計量大會上作出決定，將真空中的光速定為精確值。

近代測量真空中光速實驗的簡表：

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（注：esu即electrostatic units的縮寫；emu為electromagnetic units的縮寫。）

研究方法天文學方法1676年，丹麥天文學家O.C.羅默利用木星衛(wèi)星的星蝕時間變化證實光是以有限速度傳播的。1727年，英國天文學家J.布拉得雷利用恒星光行差現(xiàn)象估算出光速值為c=303000千米/秒。

羅默的衛(wèi)星蝕法

光速的測量，首先在天文學上獲得成功，這是因為宇宙廣闊的空間提供了測量光速所需要的足夠大的距離．早在1676年丹麥天文學家羅默（1644—1710）首先測量了光速．由于任何周期性的變化過程都可當作時鐘，他成功地找到了離觀察者非常遙遠而相當準確的“時鐘”，羅默在觀察時所用的是木星每隔一定周期所出現(xiàn)的一次衛(wèi)星蝕．他在觀察時注意到：連續(xù)兩次衛(wèi)星蝕相隔的時間，當?shù)厍虮畴x木星運動時，要比地球迎向木星運動時要長一些，他用光的傳播速度是有限的來解釋這個現(xiàn)象．光從木星發(fā)出（實際上是木星的衛(wèi)星發(fā)出），當?shù)厍螂x開木星運動時，光必須追上地球，因而從地面上觀察木星的兩次衛(wèi)星蝕相隔的時間，要比實際相隔的時間長一些；當?shù)厍蛴蚰拘沁\動時，這個時間就短一些．因為衛(wèi)星繞木星的周期不大（約為1.75天），所以上述時間差數(shù)，在最合適的時間不致超過15秒（地球的公轉(zhuǎn)軌道速度約為30千米/秒）．因此，為了取得可靠的結(jié)果，當時的觀察曾在整年中連續(xù)地進行．羅默通過觀察從衛(wèi)星蝕的時間變化和地球軌道直徑求出了光速．由于當時只知道地球軌道半徑的近似值，故求出的光速只有214300km/s．這個光速值盡管離光速的準確值相差甚遠，但它卻是測定光速歷史上的第一個記錄．后來人們用照相方法測量木星衛(wèi)星蝕的時間，并在地球軌道半徑測量準確度提高后，用羅默法求得的光速為299840±60km/s．

布萊德雷的光行差法

1728年，英國天文學家布萊德雷（1693—1762）采用恒星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量．布萊德雷在地球上觀察恒星時，發(fā)現(xiàn)恒星的視位置在不斷地變化，在一年之內(nèi)，所有恒星似乎都在天頂上繞著半長軸相等的橢圓運行了一周．他認為這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于恒星發(fā)出的光傳到地面時需要一定的時間，而在此時間內(nèi)，地球已因公轉(zhuǎn)而發(fā)生了位置的變化．他由此測得光速為：C=299930千米/秒

這一數(shù)值與實際值比較接近．

以上僅是利用天文學的現(xiàn)象和觀察數(shù)值對光速的測定，而在實驗室內(nèi)限于當時的條件，測定光速尚不能實現(xiàn)．

地面測量方法光速的測定包含著對光所通過的距離和所需時間的量度，由于光速很大，所以必須測量一個很長的距離和一個很短的時間，大地測量法就是圍繞著如何準確測定距離和時間而設計的各種方法．

最早于1629年艾薩克·畢克曼（Beeckman）提出一項試驗，一人將遵守閃光燈一炮反映過一面鏡子，約一英里。伽利略認為光速是有限的，1638年他請二個人提燈籠各爬上相距僅約一公里的山上，第一組人掀開燈籠，并開始計時，對面山上的人看見亮光后掀開燈籠，第一組看見亮光后，停止計時，這是史上著名的測量光速的掩燈方案，這種測量方法實際測到的主要只是實驗者的反應和人手的動作時間。

伽利略測定光速的方法

物理學發(fā)展史上，最早提出測量光速的是意大利物理學家伽利略．1607年在他的實驗中，讓相距甚遠的兩個觀察者，各執(zhí)一盞能遮閉的燈，如圖所示：觀察者A打開燈光，經(jīng)過一定時間后，光到達觀察者B，B立即打開自己的燈光，過了某一時間后，此信號回到A，于是A可以記下從他自己開燈的一瞬間，到信號從B返回到A的一瞬間所經(jīng)過的時間間隔t．若兩觀察者的距離為S，則光的速度為

因為光速很大，加之觀察者還要有一定的反應時間，所以伽利略的嘗試沒有成功．如果用反射鏡來代替B，那么情況有所改善，這樣就可以避免觀察者所引入的誤差．這種測量原理長遠地保留在后來的一切測定光速的實驗方法之中．甚至在現(xiàn)代測定光速的實驗中仍然采用．但在信號接收上和時間測量上，要采用可靠的方法．使用這些方法甚至能在不太長的距離上測定光速，并達到足夠高的精確度．

旋轉(zhuǎn)齒輪法

用實驗方法測定光速首先是在1849年由斐索實驗．他用定期遮斷光線的方法（旋轉(zhuǎn)齒輪法）進行自動記錄．實驗示意圖如下．從光源s發(fā)出的光經(jīng)會聚透鏡L1射到半鍍銀的鏡面A，由此反射后在齒輪W的齒a和a’之間的空隙內(nèi)會聚，再經(jīng)透鏡L2和L3而達到反射鏡M，然后再反射回來．又通過半鍍鏡A由L4集聚后射入觀察者的眼睛E．如使齒輪轉(zhuǎn)動，那么在光達到M鏡后再反射回來時所經(jīng)過的時間△t內(nèi)，齒輪將轉(zhuǎn)過一個角度．如果這時a與a’之間的空隙為齒a（或a’）所占據(jù)，則反射回來的光將被遮斷，因而觀察者將看不到光．但如齒輪轉(zhuǎn)到這樣一個角度，使由M鏡反射回來的光從另一齒間空隙通過，那么觀察者會重新看到光，當齒輪轉(zhuǎn)動得更快，反射光又被另一個齒遮斷時，光又消失．這樣，當齒輪轉(zhuǎn)速由零而逐漸加快時，在E處將看到閃光．由齒輪轉(zhuǎn)速v、齒數(shù)n與齒輪和M的間距L可推得光速c=4nvL．

在斐索所做的實驗中，當具有720齒的齒輪，一秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)動12.67次時，光將首次被擋住而消失，空隙與輪齒交替所需時間為

在這一時間內(nèi)，光所經(jīng)過的光程為2×8633米，所以光速

在對信號的發(fā)出和返回接收時刻能作自動記錄的遮斷法除旋轉(zhuǎn)齒輪法外，在現(xiàn)代還采用克爾盒法．1941年安德孫用克爾盒法測得：c=299776±6km/s，1951年貝格斯格蘭又用克爾盒法測得c=299793.1±0.3km/s．

旋轉(zhuǎn)鏡法

旋轉(zhuǎn)鏡法的主要特點是能對信號的傳播時間作精確測量．1851年傅科成功地運用此法測定了光速．旋轉(zhuǎn)鏡法的原理早在1834年1838年就已為惠更斯和阿拉果提出過，它主要用一個高速均勻轉(zhuǎn)動的鏡面來代替齒輪裝置．由于光源較強，而且聚焦得較好．因此能極其精密地測量很短的時間間隔．實驗裝置如圖所示．從光源s所發(fā)出的光通過半鍍銀的鏡面M1后，經(jīng)過透鏡L射在繞O軸旋轉(zhuǎn)的平面反射鏡M2上O軸與圖面垂直．光從M2反射而會聚到凹面反射鏡M3上，M3的曲率中心恰在O軸上，所以光線由M3對稱地反射，并在s′點產(chǎn)生光源的像．當M2的轉(zhuǎn)速足夠快時，像S′的位置將改變到s〃，相對于可視M2為不轉(zhuǎn)時的位置移動了△s的距離可以推導出光速值。式中w為M2轉(zhuǎn)動的角速度．l0為M2到M3的間距，l為透鏡L到光源S的間距，△s為s的像移動的距離．因此直接測量w、l、l0、△s，便可求得光速。

在傅科的實驗中：L=4米，L0=20米，△s=0.0007米，W=800×2π弧度/秒，他求得光速值c=298000±500km/s．

另外，傅科還利用這個實驗的基本原理，首次測出了光在介質(zhì)（水）中的速度v