想（xiǎng）必大家在日常生活（huó）中都有這（zhè）樣的經驗，在雷（léi）雨天氣，我們總是先看到閃電的光，然後過了好久才聽到轟隆隆的雷聲。這其中的原因也（yě）不難理解，那就是因為光的速度比（bǐ）聲音的速度快多了。

 閃電（圖片來自https：//steemkr.com/cryptocurrency/~ontheverge/successful-lighting-test-is-it-a-bitcoin-savior） 閃電（圖片來自https：//steemkr.com/cryptocurrency/~ontheverge/successful-lighting-test-is-it-a-bitcoin-savior）
　　空氣中聲音的速度大概是340m/s，一馬赫的速度，就是指的是聲音在空氣中（zhōng）的速度。對於光，它的速度似乎是無限的，在日常生活中，光似乎（hū）能瞬間從一個地點到另一個地點，例如我（wǒ）們打開手電（diàn）筒，幾乎就在同時我們就看到了手電筒發出的光（guāng）傳播的很遠。其實光的速度也是有限的，隻（zhī）不過（guò）非常大。

　　光在空氣中的速度約為3*10^8 m/s。這個（gè）速度有多快（kuài）呢？光在一秒（miǎo）鍾內前進的距離（lí）大約就可以繞地球赤（chì）道7圈半，也（yě）就是說，幾乎（hū）一眨眼的時間光就可以毫不費力的環遊世界。從（cóng）地球到月球的距離約為38萬公裏，光打個來回也（yě）僅僅需要兩秒多（事實上，地球（qiú）和月球之間的準確距離就是計算激光來回所花費時間得到的）。而人類在1969年第一次登上月球，花費了三天多的（de）時間才到達月球，由此可見光速有多快。光速是（shì）目前人類已知速度的上限，沒有什麽東西能運動的比光速還快。既然光速這麽快，那（nà）科學家們是如何知道光速的準確數值的呢？

激光測距（圖片來自https：//www.flickr.com/photos/gsfc/3951835665）激光測距（圖片來自https：//www.flickr.com/photos/gsfc/3951835665）
　　光速測量史

　　人類曆史上首次測（cè）量光速是在1676年。當時丹麥天文學家奧勒?羅默通過研究木星（xīng）的衛星（xīng）木衛一發現光速是有限的，並（bìng）不是無限的，並由此估計出了光速的值。他（tā）估算的過程如下圖所示：

光速的估量（liàng）（圖片來自https：//en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light）光速的估量（圖片來自https：//en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light）
　　其中的大環是（shì）地（dì）球繞太陽的（de）軌道（dào），小環是木衛一繞木星的（de）軌道。當地球遠離木星（從L到K）和接近木（mù）星（從F到G）時，木衛一從木星的陰影裏（C到（dào）D）出來的時間會產生變化，從（cóng）這個變化可以就知道光速是有限的，再加上木衛一繞木星的公轉周期和地球的公轉周期（qī）以及公轉速度，就可以估算出光速了。從這中（zhōng）方法估計出的光速誤差很大，約為2.2x10^8m/s， 比實際值小26%。

　　在1728年，英（yīng）國天文學家詹姆斯?布（bù）拉德利進一步提高了（le）光速的準確度。他所使用的（de）是恒星的光行（háng）差。光行差如下圖（tú）所示

光（guāng）行差示意圖 圖片來自https：//en.wikipedia.org/wiki/Aberration_of_light光行差示意圖 圖片來自https：//en.wikipedia.org/wiki/Aberration_of_light
　　光行差，簡單（dān）的來說就是地（dì）球的運動，會使（shǐ）恒星的方位產生變化。舉例來說就是，假設在無風的天氣裏下雨，雨滴會（huì）垂直下（xià）落到你的身上，當你以一定的速度奔跑是，雨滴就會（huì）以另外（wài）一個角度落到你身上，不（bú）再垂直（zhí）。結合這個角度的改變和（hé）你（nǐ）的速度，就（jiù）可以估計出雨滴下落的速度。同樣使用恒星光（guāng）行差（chà），結合地球的（de）公轉速（sù）度和恒星角度的變化（huà），就可以估算出光速。使用這種方法估算出的光速（sù）約為（wéi）3.01*10^8 m/s，誤差（chà）僅僅為0.4%。

　　提升光速（sù）測量（liàng）精度

　　首次（cì）準確（què）在地球上，而不是依靠天體（tǐ）運動來（lái）測量光（guāng）速的實驗是在1849年由法國物理學家阿曼德?斐索實行的，他使用的方法叫做齒輪（lún）測速法。

齒輪法測光速（圖片來自https：//www.illustrationsource.com/stock/image/506779/in-1849-french-physicist-armand-fizeau-used-this-method-to-achieve-the-first-terrestrial-measurement-of-the-speed-of-light/）齒輪法測光速（圖片來自（zì）https：//www.illustrationsource.com/stock/image/506779/in-1849-french-physicist-armand-fizeau-used-this-method-to-achieve-the-first-terrestrial-measurement-of-the-speed-of-light/）
　　這個（gè）方法的關鍵在於齒輪的轉速（sù），齒輪從很（hěn）低的轉速開始（shǐ）逐漸提速，在轉速提升到某一（yī）關鍵速度的時候，齒輪轉過兩個齒的角度時，光線剛好從遠處的（de）鏡子裏折回。這樣根據兩齒（chǐ）之間的（de）角度以及齒輪的轉速，鏡子的距離就可以計算出光速的大小。假設齒輪的（de）轉速剛好是，齒輪一共（gòng）有N個齒，遠處的鏡子（zǐ）距離觀察（chá）者L。那麽光速。

，齒輪一共有N個齒，遠處的鏡子距離觀察者L。那麽光速（sù）
。
　　1849年阿曼德?斐索用這種裝置測出的光（guāng）速是3.15*10^8m/s，誤差為5%，但（dàn）是隨後，法國科學家（jiā）萊昂?傅（fù）科（就是用傅科擺演示地球自轉的（de）那個科（kē）學家），提高了這個裝置（zhì）的精確度，用旋轉鏡麵代替了旋轉的之輪，測出了2.98*10^8m/s的光速值，誤（wù）差縮小到了0.5%。 旋轉齒輪法和旋轉鏡麵（miàn）法對於光速的準（zhǔn）確測量產生了（le）很深遠的影響，這種方法簡單易行，結果很有說（shuō）服力。直到1926年，這種方法都一直被當做測量光速的首（shǒu）選，精度一直（zhí）提高到了0.001%左右。

　　齒輪測速法較為精確並且可信地測出了光速的值。之（zhī）後不久（1861-1862年）就出現（xiàn）了偉大的麥克斯（sī）韋（1831-1879，蘇格蘭物理學家），給出（chū）了麥克斯韋方程組，完美的描述了電磁波的運動，他從方程組中得出電磁波的速度約為（wéi）

，
　　非常接近當時光速的值，於是他（tā）大（dà）膽的猜測光（guāng）就（jiù）是一（yī）種（zhǒng）特殊頻率的電磁波。後來（lái）的實驗確實證明了他的（de）猜測。

史上最（zuì）偉大的物理學（xué）家之一?詹（zhān）姆斯?克拉克?麥克斯韋（圖片來自：維基百（bǎi）科）史（shǐ）上最偉大的物理學家之一?詹姆（mǔ）斯?克拉克?麥克斯韋（wéi）（圖片來自：維基百科）
　　當知道光是電磁波之後，我們就可以從（cóng）另外一種方式得到準（zhǔn）確的光速，那就是通過測量（真空磁導率）和（真空（kōng）介電常數）來計算光速，也就是上麵提到的

（真空磁導率）和
（真空介電常數）來計算光速，也就是上麵提到的

　　在1907年，美國科學家愛德華（Edward Bennett Rosa）和多爾西（N.E。 Dorsey）通過這（zhè）種方法給出了當時最精確的光速值2.99788*10^8m/s，誤差僅僅為0.003%。。

　　20世紀50年（nián）代以後，隨著電子工業技術（shù）的發展， 各種測量（liàng）光速的新技術相繼出現，例如諧振腔（qiāng）法（1950年），無線電幹涉（shè）法（1958年），激光幹涉法（1972年）等。下麵我們一一介紹。

　　諧振腔法主要依（yī）據的物理原理（lǐ）就是光也是電（diàn）磁波，因為任意波長的電磁波具有相（xiàng）同的速度，而電磁波（bō）的速度和它的波長和頻率之間存在（zài）如下的（de）關係： 速度=波長*頻率。諧振腔法通過腔的尺寸可以很準確計算出裏麵電（diàn）磁波的波長，而電磁波的頻率又是（shì）已知（zhī）的，因此（cǐ），可以直接（jiē）用（yòng）上述公式計（jì）算出光的速度（或者說電磁波的速度）。

　　最後一種要說的就是激光幹涉法（fǎ）了。目前各種資料查（chá）到的光速的值 299792458m/s，是（shì）通過（guò）激光幹涉法測量出來的。無線電幹涉和（hé）激光幹涉本質上是一樣的，因為它們（men）都使用的是電磁波，隻（zhī）是波長不相同而（ér）已。因此我們隻（zhī）介紹激光幹涉法。

　　想象一下（xià）水波，如下圖所示，當兩個水波相遇（yù）時，會產生幹涉。當波（bō）峰（fēng）和波（bō）峰（或波（bō）穀和波穀）相遇時（shí），產生相加幹涉，當波峰和波穀相遇時，會產生相消幹涉（shè）。同樣的道理對於光或者激光也是成立的。

水波幹涉和波峰波穀示意圖（圖片1來自https：//www.ligo.caltech.edu/page/what-is-interferometer圖片2來自http://gk-web.hkd.mlit.go.jp/hkop-bousai/fChn/puYougo.html）水波幹涉和波峰波穀示意圖（圖片1來自https：//www.ligo.caltech.edu/page/what-is-interferometer圖（tú）片2來自http://gk-web.hkd.mlit.go.jp/hkop-bousai/fChn/puYougo.html）
激光幹涉條紋（圖片來（lái）自https：//www.slideshare.net/hassang66/calibration-of-coordinate-measuring-machines-cmm）激光幹涉條紋（wén）（圖片來自https：//www.slideshare.net/hassang66/calibration-of-coordinate-measuring-machines-cmm）
　　激光是一種高度相幹的光，因此很（hěn）適合用於進（jìn）行（háng）幹涉。從激光器發出的光的頻率是已知的，精度可以達到10^-9赫（hè）茲 左右，波（bō）長的測量是通過法布裏-珀羅幹（gàn）涉儀測量並和基準波長86-氪605nm的光譜線進行比（bǐ）較得到的，精度也可以達到10^-9m左右。由於激光幹涉對於波長的要求非常的高，產生的幹涉條紋和激光的波長密切相關，因此通過（guò）幹涉條紋可以十分準確的計算出激光（guāng）的波長。有了激光的（de）頻率和波長，就可以（yǐ）計算出光速了：光速=頻率*波長。

　　1972年通過激光幹涉法測出的光速值是299792.4562?0.0011m/s， 這時當時（shí）能達到的最高的精度了（le），因為當時米（mǐ）的（de）定（dìng）義是通過86-氪605nm的光（guāng）譜（pǔ）線給（gěi）出的，它的精（jīng）度（dù）限製了光速精度的進一步提高。

　　不久（jiǔ）後的1983年，國際計量大會直接規定光速的值為（wéi）299792458m/s， 並（bìng）且反過來用光速重新定義了米。也（yě）就是說現在的光速值是給定的，不會再改變了，精（jīng）度也不會再繼續提（tí）高了，因為它已（yǐ）經成了“米”這（zhè）個基（jī）本（běn）單位的基準。所謂的基準，就是指“米”這個單（dān）位的最高精（jīng）度是由光速（sù）的值給出的，因為光速值具有很好的穩定性和重複性。

　　從光速（sù）測量的曆史可以（yǐ）看出，科學的（de）進步並不是（shì）一蹴而就的，有時候需要好幾代（dài）科（kē）學家的不懈努力才能實現。光速測量精度的不斷提高（gāo），到現在成（chéng）了一（yī）個確定的值，這對於物理學（xué）的發展來說（shuō）十分（fèn）重要。因（yīn）為光速是物理中一個重要的常數，著名（míng）的質能方（fāng）程 E=mc^2， 狹義相對論（lùn）中的（de）“尺縮鍾慢”效應，廣義相對論中的引力波，時空彎曲等等（děng），都和光速密切相關。