光速

徠光速，指光波或電磁波在真空或介質中的傳播速度。真空中的光速是自然界物體運動的最大速度。光速與觀測者相對於光源的運動速度無關。運動物體的質量隨著速度的增大而增大，當物體速度接近光速時，它的動質量將趨於無窮大，所以質量不為零的物體是無法達到光速的。只有靜質量為零的光子，才始終以光速運動著。光速與任何速度疊加，仍然是光速。

真空中的光速是一個重要的物理常量c，c=299792458m/s。一般近似取300000km/s。

當某物體運動速度相對於另一物體接近光速，某物體的時間相對於另一物體減慢，時間變化符合洛倫茲變換。該結論在二十世紀七十年代通過衛星和地面天文台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將無窮大，所以按當前人類的認知來說達到光速不可能，光速、超光速的問題不在當今物理學的討論範圍。

1675年，丹麥天文學家羅伊默在巴黎天文台觀測木衛一時，發現木衛一被木星遮蓋的時間有時提前，有時延遲，相差可達22分鐘，他斷定這是由於光的行進需要時間所造成的。1676年11月22日，羅伊默在法國科學院提出了上述見解，並給出了歷史上第一個光速c觀測值：c=214000km/s；它比真實值低了大約30%，因為22分鐘這個值就不對，實際應為16分鐘36秒；此外，他用的地球軌道數據也不準確。

在18世紀、19世紀，又有不同的結果出來。到20世紀，報道的結果越來越接近真實值，測量精度也越來越高。50年代時，英國物理研究所的科學家K.D.Froome發明了“自由空間微波干涉儀”，並於1958年在72GHz頻率上得到c=299792.5±0.1km/s，測量精度達；國際上有10多年光速都採納了他的數據。1960年以前的光速測量是低精度和中精度的，而精確值是在20世紀70年代用高精度激光方法測得的。光學測量的最好數據是1948年用光學測距儀測得的結果（系統誤差為）；電學測量的最好數據是1923年用LC迴路及平行雙線對電磁波（導波）測得的結果（系統誤差為）；微波測量的最好數據是1950年用圓柱諧振腔對電磁波（駐波）測得的結果（系統誤差為）。

20世紀70年代初，英、美科學家開始用激光方法測光速。1972年，美國標準局以K.M.Evenson為首的小組宣布，他們以高度複雜的技術對甲烷穩定激光完成了測頻。實驗採用了原子頻標觸發的激光頻率鏈，其中包括6台不同的激光器和5個微波速調管。結果得到f=88.376181627×Hz，測量精度達。故可算出真空中光速c==299792456.2±1.1m/s，精度達3.6x10^-9；這樣，真空中光速c的測量精度提高了100倍。1973年6月，國際計量局米定義諮詢委員會決定，取激光波長=3.39223140um，激光頻率同前，算出c=299792458m/s作為公認的光速值。同年8月，國際天文聯合會決定採用。1975年，第15屆國際計量大會認可了這個值。

光速測量年表

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

光在不同介質中的速度不同，由於光是電磁波，因此光速也就依賴於介質的介電常數和磁導率。在各向同性的靜止介質中，光速是一個小於真空光速c的定值。如果介質以一定的速度運動，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中的光速，然後通過參考系變換得到運動介質中的光速；或者可以直接用相對論速度疊加公式去求運動介質中的光速。

光和聲雖然都具有波動性質，但兩者波速的演演算法是完全不同的。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出的聲音1秒鐘前進了300米；第二次我們1秒鐘勻速後退1米，測得聲音距我們301米，得到結論：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於光速的情況下，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，會發現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都遠小於光速c，則式子中的是個很小的值，近似略去之後就得v'≈v+u，回到經典的線性疊加形式。

所以，千萬不可用低速條件下機械波的近似規律去硬套光波。

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，它是基本物理常數之一。如果有介質，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，證明水中光速小於空氣中的光速。幾乎在同時，傅科用旋轉鏡法也測量了水中的光速（），得到了同樣的結論。這一實驗結果與波動說相一致而與牛頓解釋光的折射定律時的微粒說相矛盾，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中的光速，證實了A.-J.菲涅耳的曳引公式。

以下為常見介質中的光速。

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。1676年，丹麥天文學家O.C.羅默利用木星衛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.布拉得雷利用恆星光行差現象估算出光速值為c=303000千米/秒。

1）羅默衛星蝕法

1676年，丹麥天文學家羅默（1644—1710）首先測量了光速。由於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的一次衛星蝕。他在觀察時注意到：連續兩次衛星蝕相隔的時間，當地球背離木星運動時，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象，光從木星發出（實際上是木星的衛星發出），當地球離開木星運動時，光必須追上地球，因而從地面上觀察木星的兩次衛星蝕相隔的時間，要比實際相隔的時間長一些；當地球迎向木星運動時，這個時間就短一些，因為衛星繞木星的周期不大（約為1.75天），所以上述時間差數，在最合適的時間不致超過15秒（地球的公轉軌道速度約為30千米/秒）。因此，為了取得可靠的結果，當時的觀察曾在整年中連續地進行，羅默通過觀察從衛星蝕的時間變化和地球軌道直徑求出了光速，由於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。這個光速值儘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，後來人們用照相方法測量木星衛星蝕的時間，並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。

2）光行差法

1728年，英國天文學家布萊德雷（1693—1762）採用恆星的光行差法，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恆星時，發現恆星的視位置在不斷地變化，在一年之內，所有恆星似乎都在天頂上繞著半長軸相等的橢圓運行了一周，他認為這種現象的產生是由於恆星發出的光傳到地面時需要一定的時間，而在此時間內，地球已因公轉而發生了位置的變化，他由此測得光速為：C=299930千米/秒。這一數值與實際值比較接近。

以上僅是利用天文學的現象和觀察數值對光速的測定，而在實驗室內限於當時的條件，測定光速尚不能實現。

光速的測定包含著對光所通過的距離和所需時間的量度，由於光速很大，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。

1629年，艾薩克·畢克曼（Beeckman）提出一項試驗，一人將閃光燈炮反映過一面鏡子，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，並開始計時，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。

物理學發展史上，最早提出測量光速的是義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，各執一盞能遮閉的燈。觀察者A打開燈光，經過一定時間后，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，於是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，那麼情況有所改善，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後來的一切測定光速的實驗方法之中，甚至在現代測定光速的實驗中仍然採用，但在信號接收上和時間測量上，要採用可靠的方法。使用這些方法甚至能在不太長的距離上測定光速，並達到足夠高的精確度。

該實驗方法是斐索於1849年提出的。他用定期遮斷光線的方法（旋轉齒輪法）進行自動記錄。從光源s發出的光經會聚透鏡L1射到半鍍銀的鏡面A，由此反射后在齒輪W的齒a和a’之間的空隙內會聚，再經透鏡L2和L3而達到反射鏡M，然後再反射回來，又通過半鍍鏡A由L4集聚后射入觀察者的眼睛E，如使齒輪轉動，那麼在光達到M鏡后再反射回來時所經過的時間△t內，齒輪將轉過一個角度，如果這時a與a’之間的空隙為齒a（或a’）所佔據，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，那麼觀察者會重新看到光，當齒輪轉動得更快，反射光又被另一個齒遮斷時，光又消失。這樣，當齒輪轉速由零而逐漸加快時，在E處將看到閃光，由齒輪轉速v、齒數n與齒輪和M的間距L可推得光速c=4nvL。

在斐索的實驗中，當具有720齒的齒輪，一秒鐘內轉動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，光所經過的光程為2×8633米，所以光速

遮斷法中除旋轉齒輪法外，現代還採用克爾盒法。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。

旋轉鏡法

在傅科的旋轉鏡法實驗中：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（水）中的速度v

邁克爾遜干涉儀

旋轉稜鏡法

美國的邁克爾遜把齒輪法和旋轉鏡法結合起來，創造了旋轉稜鏡法裝置。因為齒輪法之所以不夠準確，是由於不僅當齒的中央將光遮斷時變暗，而且當齒的邊緣遮斷光時也是如此。因此不能精確地測定象消失的瞬時，旋轉鏡法也不夠精確，因為在該法中象的位移△s太小，只有0.7毫米，不易測准。邁克耳遜的旋轉鏡法克服了這些缺點，他用一個正八面鋼質稜鏡代替了旋轉鏡法中的旋轉平面鏡，從而光路大大的增長，並利用精確地測定稜鏡的轉動速度代替測齒輪法中的齒輪轉速測出光走完整個路程所需的時間，從而減少了測量誤差。從1879年至1926年，邁克耳遜曾前後從事光速的測量工作近五十年，在這方面付出了極大的勞動，1926年他的最後一個光速測定值為：c=299796km/s，這是當時最精確的測定值，很快成為當時光速的公認值。

實驗室方法

天文學方法和大地測量方法，都是採用測定光信號的傳播距離和傳播時間來確定光速的，這要求要儘可能地增加光程，改進時間測量的準確性。這在實驗室里一般是受時空限制的，而只能在大地野外進行，如斐索的旋輪齒輪法當時是在巴黎的蘇冷與達蒙瑪特勒相距8633米的兩地進行的，傅科的旋轉鏡法當時也是在野外，邁克耳遜當時是在相距35373.21米的兩個山峰上完成的，現代科學技術的發展，使人們可以使用更小更精確地實驗儀器在實驗室中進行光速的測量。

微波諧振腔法

1950年，埃森最先採用測定微波波長和頻率的方法來確定光速。在他的實驗中，將微波輸入到圓柱形的諧振腔中，當微波波長和諧振腔的幾何尺寸匹配時，諧振腔的圓周長πD和波長之比有如下的關係：πD=2404825λ，因此可以通過諧振腔直徑的測定來確定波長，而直徑則用干涉法測量；頻率用逐級差頻法測定，測量精度達，在埃森的實驗中，所用微波的波長為10厘米，所得光速的結果為299792.5±1km/s。

激光測速法

1970年，美國國家標準局和美國國立物理實驗室最先運用激光測定光速，這個方法的原理是同時測定激光的波長和頻率來確定光速（c=vλ）。由於激光的頻率和波長的測量精確度已大大提高，所以用激光測速法的測量精度可達3.6x10^-9，比以前已有最精密的實驗方法提高精度約100倍。

除了以上介紹的幾種測量光速的方法外，還有許多其他精確測定光速的方法。

根據1975年第十五屆國際計量大會的決議，現代真空中光速的準確值為：c=299792.458km/s。

相關故事

---

十六歲時，愛因斯坦發現世界上似乎沒有東西能夠追上光速。二十六歲時，他用嚴密的數學證明了這一發現。在瑞士專利局工作期間，他通過麥克斯韋爾方程式推導了狹義相對論（special relativity），得到了光速不變原理。愛因斯坦指出，無論我們怎樣加速，無論我們自身的速度如何，人們所能測量的光速是一樣的。

對於這一結論，愛因斯坦給出的解釋是：時間變慢了！就是說，我們移動得越快，時鐘就走得越慢，我們的量尺也越短，所以，我們測量的光速是不變的。

愛因斯坦進一步思考：所有的物體都必須使用時鐘與量尺來測量，既然時間和量尺都是變化的，所以我們必須校正所有的物理量（quantity），於是他導出了下一個重大的結論：質量是從能量來的。

這個結論，一舉推翻了十九世紀的兩大物理髮現：質量守恆和能量守恆。自此以後，質量與能量被視為單一單位：質-能（matter-energy）。愛因斯坦同時給出了質能變動的方程式，那就是著名的 E＝mc²。

光速

追尋一下狹義相對論的推導過程：

光速恆定⇒時間變慢⇒質量不恆定⇒“質量-能量”相互轉換⇒ E＝mc²

狹義相對論，統一了“時空”，也統一了“質能”。

實驗論證

---

2011年9月，歐洲研究人員發現了一個無法解釋的現象：比光速快60納秒的中微子。一旦被證實，將顛覆現代物理學的相對論。

而2012年3月3日消息稱，經過數月的反覆檢查，歐洲核子中心日前宣布，衛星定位系統同步接收器可能存在“調校”問題，並高估了中微子運行時間，而把衛星定位系統信號傳送到原子時鐘的光纜可能出現連接“鬆動”並導致低估了粒子包飛行時間。不久，《科學》雜誌也刊文指出，連接原子鐘的光纜出現鬆動，可能導致計算中微子運行時間的原子鐘產生了錯誤結果。再往後，歐洲核子中心的調查結果顯示，該實驗結論是實驗電纜出錯造成的，並沒有顛覆相對論。

原來，“中微子速度超過光速”只是一場烏龍。

歐洲核子中心——大型粒子對撞機