光速（Lightspeed）是指光波或電磁波在真空或介質(zhì)中的傳播速度。真空中的光速是所發(fā)現(xiàn)的自然界物體運(yùn)動(dòng)的最大速度。

它與觀測(cè)者相對(duì)于光源的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，即相對(duì)于光源靜止和運(yùn)動(dòng)的慣性系中測(cè)到的光速是相同的。物體的質(zhì)量還跟它運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)（前提是物體的速度要相當(dāng)大，能跟光速能比較，比如說(shuō)光速的1/4），物體的質(zhì)量將隨著速度的增大而增大，當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，它的質(zhì)量將趨于無(wú)窮大，所以有質(zhì)量的物體達(dá)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(yùn)動(dòng)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(xué)的法則，而遵從相對(duì)論的速度合成法則。

光速 - 物理學(xué)名詞

光速的物理

接近光速情況下，笛卡爾座標(biāo)系不再適用。同樣測(cè)量光線離開(kāi)自己的速度，一個(gè)快速追光的人與一個(gè)靜止的人會(huì)測(cè)得相同的速度（光速）。這與日常生活中對(duì)速度的概念有異。兩車以50km/h的速度迎面飛馳，司機(jī)會(huì)感覺(jué)對(duì)方的車以50+50=100km/h行駛，即與自己靜止而對(duì)方以100km/h迎面駛來(lái)的情況無(wú)異。但當(dāng)速度接近光速時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明簡(jiǎn)單加法計(jì)算速度不再奏效。當(dāng)兩飛船以90%光速的速度（對(duì)第三者來(lái)說(shuō)）迎面飛行時(shí)，船上的人不會(huì)感覺(jué)對(duì)方的飛船以90%+90%=180%光速速度迎面飛來(lái)，而只是以稍低于99.5%的光速速度行駛。結(jié)果可從愛(ài)因斯坦計(jì)算速度的算式得出：

其中v和w是對(duì)第三者來(lái)說(shuō)飛船的速度，u是感受的速度，c是光速。

根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)，所有電磁波，包括可見(jiàn)光，在真空中的速度是常數(shù)，即是光速。強(qiáng)相互作用、電磁作用、弱相互作用傳播的速度都是光速，根據(jù)廣義相對(duì)論，萬(wàn)有引力傳播的速度也是光速，且已于2003年得以證實(shí)。根據(jù)電磁學(xué)的定律，發(fā)放電磁波的對(duì)象的速度不會(huì)影響電磁波的速度。結(jié)合相對(duì)性原則，觀察者的參考坐標(biāo)和發(fā)放光波的對(duì)象的速度不會(huì)影響被測(cè)量的光速，但會(huì)影響波長(zhǎng)而產(chǎn)生紅移、藍(lán)移。這是狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)。相對(duì)論探討的是光速而不是光，就算光被稍微減慢，也不會(huì)影響?yīng)M義相對(duì)論。

研究歷史

真空中的光速，這是最古老的物理常數(shù)之一。最早于1629年艾薩克?畢克曼（beeckman）提出一項(xiàng)試驗(yàn)，一人將遵守閃光燈一炮反映過(guò)一面鏡子，約一英里。伽利略認(rèn)為光速是有限的，1638年他請(qǐng)二個(gè)人提燈籠各爬上相距僅約一公里的山上，第一組人掀開(kāi)燈籠，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，對(duì)面山上的人看見(jiàn)亮光后掀開(kāi)燈籠，第一組看見(jiàn)亮光后，停止計(jì)時(shí)，這是史上著名的測(cè)量光速的掩燈方案，這種測(cè)量方法實(shí)際測(cè)到的主要只是實(shí)驗(yàn)者的反應(yīng)和人手的動(dòng)作時(shí)間。

奧拉夫·雷默（Olaf Roemer）是丹麥的天文學(xué)家。他對(duì)木星的一個(gè)衛(wèi)星I做了許多系統(tǒng)的研究；I繞木星運(yùn)轉(zhuǎn)一周需1.76地球日；每周的時(shí)間相同；出現(xiàn)受木星遮擋I的月蝕，其周期也是相同的。因此雷默希望能準(zhǔn)確地預(yù)言I出現(xiàn)月食的時(shí)間。但是他注意到一年內(nèi)，I出現(xiàn)月食的時(shí)間不像他所預(yù)言的哪樣；有時(shí)比預(yù)言的時(shí)間早；有時(shí)則較晚。而且愈來(lái)愈晚。然后，又比預(yù)言的時(shí)間早。后來(lái)，他明白了；當(dāng)?shù)厍蜓靥?yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并接近木星時(shí)（見(jiàn)右圖），I出現(xiàn)月食的時(shí)間比預(yù)言的早。當(dāng)?shù)厍螂x木星遠(yuǎn)時(shí)，I月蝕的時(shí)間比預(yù)言的晚。1676年9月，他準(zhǔn)確地預(yù)言，11月9日的I月蝕時(shí)間比預(yù)期的晚10分鐘。后來(lái)，果真是這樣。使當(dāng)時(shí)他的同事大為吃驚。二星期后雷默告述訴他們，這是由于地球和木星在各自軌道上運(yùn)動(dòng)，它們之間的距離是改變的。從I反射太陽(yáng)的光到達(dá)地球所需的時(shí)間因之也改變。地球與木星的距離最遠(yuǎn)時(shí)，所需的時(shí)間最長(zhǎng)。反之，最短。因此，最長(zhǎng)時(shí)間和最短時(shí)間的差就是光從地球繞太陽(yáng)運(yùn)行軌道一點(diǎn)到另一對(duì)方點(diǎn)所需的時(shí)間。從雷默觀察，光要22分鐘走過(guò)地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道。由此算出光速為214000km/s.由于當(dāng)時(shí)不能準(zhǔn)確知道行星的距離。雷默此時(shí)求得的光速與現(xiàn)今準(zhǔn)確測(cè)出的光速。可說(shuō)是很接近了。因此，1676年是雷默第一次測(cè)出光速的人和時(shí)間。

1728年，布拉德雷根據(jù)恒星光行差求得c=3.1×108m/s。

1849年，斐索用旋轉(zhuǎn)齒輪法求得c=3.153×108m/s。他是第一位用實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定地面光速的實(shí)驗(yàn)者。實(shí)驗(yàn)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(guò)一齒所需的時(shí)間，正好與光往返的時(shí)間相等，就可透過(guò)半鍍銀面觀測(cè)到光，從而根據(jù)齒輪的轉(zhuǎn)速計(jì)算出光速。

1862年，傅科用旋轉(zhuǎn)鏡法測(cè)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c=2.98×108m/s。第三位在地面上測(cè)到光速的是考爾紐（M.A.Cornu）。

1874年他改進(jìn)了斐索的旋轉(zhuǎn)齒輪法，得c=2.9999×108m/s。邁克耳遜改進(jìn)了傅科的旋轉(zhuǎn)鏡法，多次測(cè)量光速。

1879年，得c= - 2.99910±0.00050×108m/s.1882年得c= - 2.99853±0.00060×108m/s。后來(lái)，他綜合旋轉(zhuǎn)鏡法和旋轉(zhuǎn)齒輪法的特點(diǎn)，發(fā)展了旋轉(zhuǎn)棱鏡法。

1924～1927年間，得c= - 2.99796±0.00004×108m/s。邁克耳遜在推算真空中的光速時(shí)，應(yīng)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(cuò)誤在1929年被伯奇發(fā)覺(jué),經(jīng)改正后,1926年的結(jié)果應(yīng)為c= - 2.99798±0.00004×108m/s=2997984±4km/s。

后來(lái)，由于電子學(xué)的發(fā)展，用克爾盒、諧振腔、光電測(cè)距儀等方法，光速的測(cè)定，比直接用光學(xué)方法又提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

60年代激光器發(fā)明，運(yùn)用穩(wěn)頻激光器，可以大大降低光速測(cè)量的不確定度。

1973年達(dá)0.004ppm，終于在1983年第十七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上作出決定，將真空中的光速定為精確值。

研究方法

天文學(xué)方法

1676年，丹麥天文學(xué)家O.C.羅默利用木星衛(wèi)星的星蝕時(shí)間變化證實(shí)光是以有限速度傳播的。1727年，英國(guó)天文學(xué)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(cè)量，首先在天文學(xué)上獲得成功，這是因?yàn)橛钪鎻V闊的空間提供了測(cè)量光速所需要的足夠大的距離．早在1676年丹麥天文學(xué)家羅默（1644—1710）首先測(cè)量了光速．由于任何周期性的變化過(guò)程都可當(dāng)作時(shí)鐘，他成功地找到了離觀察者非常遙遠(yuǎn)而相當(dāng)準(zhǔn)確的“時(shí)鐘”，羅默在觀察時(shí)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(shí)注意到：連續(xù)兩次衛(wèi)星蝕相隔的時(shí)間，當(dāng)?shù)厍虮畴x木星運(yùn)動(dòng)時(shí)，要比地球迎向木星運(yùn)動(dòng)時(shí)要長(zhǎng)一些，他用光的傳播速度是有限的來(lái)解釋這個(gè)現(xiàn)象．光從木星發(fā)出（實(shí)際上是木星的衛(wèi)星發(fā)出），當(dāng)?shù)厍螂x開(kāi)木星運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shí)間，要比實(shí)際相隔的時(shí)間長(zhǎng)一些；當(dāng)?shù)厍蛴蚰拘沁\(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)時(shí)間就短一些．因?yàn)樾l(wèi)星繞木星的周期不大（約為1.75天），所以上述時(shí)間差數(shù)，在最合適的時(shí)間不致超過(guò)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(dāng)時(shí)的觀察曾在整年中連續(xù)地進(jìn)行．羅默通過(guò)觀察從衛(wèi)星蝕的時(shí)間變化和地球軌道直徑求出了光速．由于當(dāng)時(shí)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(gè)光速值盡管離光速的準(zhǔn)確值相差甚遠(yuǎn)，但它卻是測(cè)定光速歷史上的第一個(gè)記錄．后來(lái)人們用照相方法測(cè)量木星衛(wèi)星蝕的時(shí)間，并在地球軌道半徑測(cè)量準(zhǔn)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(guó)天文學(xué)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(shí)，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(zhǎng)軸相等的橢圓運(yùn)行了一周．他認(rèn)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(shí)需要一定的時(shí)間，而在此時(shí)間內(nèi)，地球已因公轉(zhuǎn)而發(fā)生了位置的變化．他由此測(cè)得光速為：C=299930千米/秒

這一數(shù)值與實(shí)際值比較接近．

以上僅是利用天文學(xué)的現(xiàn)象和觀察數(shù)值對(duì)光速的測(cè)定，而在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)限于當(dāng)時(shí)的條件，測(cè)定光速尚不能實(shí)現(xiàn)．

地面測(cè)量方法

光速的測(cè)定包含著對(duì)光所通過(guò)的距離和所需時(shí)間的量度，由于光速很大，所以必須測(cè)量一個(gè)很長(zhǎng)的距離和一個(gè)很短的時(shí)間，大地測(cè)量法就是圍繞著如何準(zhǔn)確測(cè)定距離和時(shí)間而設(shè)計(jì)的各種方法．

最早于1629年艾薩克·畢克曼（Beeckman）提出一項(xiàng)試驗(yàn)，一人將遵守閃光燈一炮反映過(guò)一面鏡子，約一英里。伽利略認(rèn)為光速是有限的，1638年他請(qǐng)二個(gè)人提燈籠各爬上相距僅約一公里的山上，第一組人掀開(kāi)燈籠，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，對(duì)面山上的人看見(jiàn)亮光后掀開(kāi)燈籠，第一組看見(jiàn)亮光后，停止計(jì)時(shí)，這是史上著名的測(cè)量光速的掩燈方案，這種測(cè)量方法實(shí)際測(cè)到的主要只是實(shí)驗(yàn)者的反應(yīng)和人手的動(dòng)作時(shí)間。

伽利略測(cè)定光速的方法

物理學(xué)發(fā)展史上，最早提出測(cè)量光速的是意大利物理學(xué)家伽利略．1607年在他的實(shí)驗(yàn)中，讓相距甚遠(yuǎn)的兩個(gè)觀察者，各執(zhí)一盞能遮閉的燈，如圖所示：觀察者A打開(kāi)燈光，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，光到達(dá)觀察者B，B立即打開(kāi)自己的燈光，過(guò)了某一時(shí)間后，此信號(hào)回到A，于是A可以記下從他自己開(kāi)燈的一瞬間，到信號(hào)從B返回到A的一瞬間所經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔t．若兩觀察者的距離為S，則光的速度為

因?yàn)楣馑俸艽?，加之觀察者還要有一定的反應(yīng)時(shí)間，所以伽利略的嘗試沒(méi)有成功．如果用反射鏡來(lái)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(cè)量原理長(zhǎng)遠(yuǎn)地保留在后來(lái)的一切測(cè)定光速的實(shí)驗(yàn)方法之中．甚至在現(xiàn)代測(cè)定光速的實(shí)驗(yàn)中仍然采用．但在信號(hào)接收上和時(shí)間測(cè)量上，要采用可靠的方法．使用這些方法甚至能在不太長(zhǎng)的距離上測(cè)定光速，并達(dá)到足夠高的精確度．

旋轉(zhuǎn)齒輪法

用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定光速首先是在1849年由斐索實(shí)驗(yàn)．他用定期遮斷光線的方法（旋轉(zhuǎn)齒輪法）進(jìn)行自動(dòng)記錄．實(shí)驗(yàn)示意圖如下．從光源s發(fā)出的光經(jīng)會(huì)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(huì)聚，再經(jīng)透鏡L2和L3而達(dá)到反射鏡M，然后再反射回來(lái)．又通過(guò)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(dòng)，那么在光達(dá)到M鏡后再反射回來(lái)時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間△t內(nèi)，齒輪將轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度．如果這時(shí)a與a’之間的空隙為齒a（或a’）所占據(jù)，則反射回來(lái)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(gè)角度，使由M鏡反射回來(lái)的光從另一齒間空隙通過(guò)，那么觀察者會(huì)重新看到光，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)得更快，反射光又被另一個(gè)齒遮斷時(shí)，光又消失．這樣，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速由零而逐漸加快時(shí)，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(shí)驗(yàn)中，當(dāng)具有720齒的齒輪，一秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)12.67次時(shí)，光將首次被擋住而消失，空隙與輪齒交替所需時(shí)間為在這一時(shí)間內(nèi)，光所經(jīng)過(guò)的光程為2×8633米，所以光速在對(duì)信號(hào)的發(fā)出和返回接收時(shí)刻能作自動(dòng)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(cè)得：c=299776±6km/s，1951年貝格斯格蘭又用克爾盒法測(cè)得c=299793.1±0.3km/s．

旋轉(zhuǎn)鏡法

旋轉(zhuǎn)鏡法的主要特點(diǎn)是能對(duì)信號(hào)的傳播時(shí)間作精確測(cè)量．1851年傅科成功地運(yùn)用此法測(cè)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(guò)，它主要用一個(gè)高速均勻轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡面來(lái)代替齒輪裝置．由于光源較強(qiáng)，而且聚焦得較好．因此能極其精密地測(cè)量很短的時(shí)間間隔．實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．從光源s所發(fā)出的光通過(guò)半鍍銀的鏡面M1后，經(jīng)過(guò)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(huì)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(duì)稱地反射，并在s′點(diǎn)產(chǎn)生光源的像．當(dāng)M2的轉(zhuǎn)速足夠快時(shí)，像S′的位置將改變到s〃，相對(duì)于可視M2為不轉(zhuǎn)時(shí)的位置移動(dòng)了△s的距離可以推導(dǎo)出光速值。式中w為M2轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的距離．因此直接測(cè)量w、l、l0、△s，便可求得光速。

在傅科的實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)的基本原理，首次測(cè)出了光在介質(zhì)（水）中的速度v<c，這是對(duì)波動(dòng)說(shuō)的有力證據(jù)．

旋轉(zhuǎn)棱鏡法

美國(guó)的邁克爾遜把齒輪法和旋轉(zhuǎn)鏡法結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造了旋轉(zhuǎn)棱鏡法裝置．因?yàn)辇X輪法之所以不夠準(zhǔn)確，是由于不僅當(dāng)齒的中央將光遮斷時(shí)變暗，而且當(dāng)齒的邊緣遮斷光時(shí)也是如此．因此不能精確地測(cè)定象消失的瞬時(shí)．旋轉(zhuǎn)鏡法也不夠精確，因?yàn)樵谠摲ㄖ邢蟮奈灰啤鱯太小，只有0.7毫米，不易測(cè)準(zhǔn)．邁克耳遜的旋轉(zhuǎn)鏡法克服了這些缺點(diǎn)．他用一個(gè)正八面鋼質(zhì)棱鏡代替了旋轉(zhuǎn)鏡法中的旋轉(zhuǎn)平面鏡，從而光路大大的增長(zhǎng)，并利用精確地測(cè)定棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)速度代替測(cè)齒輪法中的齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)出光走完整個(gè)路程所需的時(shí)間，從而減少了測(cè)量誤差．從1879年至1926年，邁克耳遜曾前后從事光速的測(cè)量工作近五十年，在這方面付出了極大的勞動(dòng)．1926年他的最后一個(gè)光速測(cè)定值為c=299796km/s。這是當(dāng)時(shí)最精確的測(cè)定值，很快成為當(dāng)時(shí)光速的公認(rèn)值。

實(shí)驗(yàn)室方法

光速測(cè)定的天文學(xué)方法和大地測(cè)量方法，都是采用測(cè)定光信號(hào)的傳播距離和傳播時(shí)間來(lái)確定光速的．這就要求要盡可能地增加光程，改進(jìn)時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性．這在實(shí)驗(yàn)室里一般是受時(shí)空限制的，而只能在大地野外進(jìn)行，如斐索的旋輪齒輪法當(dāng)時(shí)是在巴黎的蘇冷與達(dá)蒙瑪特勒相距8633米的兩地進(jìn)行的．傅科的旋轉(zhuǎn)鏡法當(dāng)時(shí)也是在野外，邁克耳遜當(dāng)時(shí)是在相距35373．21米的兩個(gè)山峰上完成的．現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使人們可以使用更小更精確地實(shí)驗(yàn)儀器在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行光速的測(cè)量．

微波諧振腔法

1950年埃森最先采用測(cè)定微波波長(zhǎng)和頻率的方法來(lái)確定光速．在他的實(shí)驗(yàn)中，將微波輸入到圓柱形的諧振腔中，當(dāng)微波波長(zhǎng)和諧振腔的幾何尺寸匹配時(shí)，諧振腔的圓周長(zhǎng)πD和波長(zhǎng)之比有如下的關(guān)系：πD=2404825λ，因此可以通過(guò)諧振腔直徑的測(cè)定來(lái)確定波長(zhǎng)，而直徑則用干涉法測(cè)量；頻率用逐級(jí)差頻法測(cè)定．測(cè)量精度達(dá)．在埃森的實(shí)驗(yàn)中，所用微波的波長(zhǎng)為10厘米，所得光速的結(jié)果為299792.5±1km/s．

激光測(cè)速法

1970年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局和美國(guó)國(guó)立物理實(shí)驗(yàn)室最先運(yùn)用激光測(cè)定光速．這個(gè)方法的原理是同時(shí)測(cè)定激光的波長(zhǎng)和頻率來(lái)確定光速（c=vλ）．由于激光的頻率和波長(zhǎng)的測(cè)量精確度已大大提高，所以用激光測(cè)速法的測(cè)量精度可達(dá)，比以前已有最精密的實(shí)驗(yàn)方法提高精度約100倍．

除了以上介紹的幾種測(cè)量光速的方法外，還有許多十分精確的測(cè)定光速的方法．

根據(jù)1975年第十五屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)的決議，現(xiàn)代真空中光速的準(zhǔn)確值是：

c=299792.458±0.001km

認(rèn)識(shí)程度

丹麥天文學(xué)家羅默（OleRomer）在17世紀(jì)首次成功地計(jì)算出光速。他使用木星的一顆衛(wèi)星有規(guī)律的軌道運(yùn)動(dòng)作為計(jì)時(shí)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(gè)“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(yù)想的那么規(guī)律，在一年之中會(huì)時(shí)而快幾分鐘，時(shí)而慢幾分鐘。

羅默計(jì)算出，這些時(shí)延是木星和地球在繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)時(shí)它們之間的距離變化所引起的。通過(guò)計(jì)算一年里地球、木星及其衛(wèi)星在軌道上的相對(duì)位置，他算出了光穿過(guò)宇宙空間的速度。羅默于1676年向法國(guó)科學(xué)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(guò)30%。

對(duì)光之本性的理論探討也使人們對(duì)光速有所了解。19世紀(jì)60年代中期，蘇格蘭科學(xué)家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋創(chuàng)建了一組方程，描述電磁場(chǎng)在空間中的行為。這個(gè)方程的一個(gè)解表明，電磁波在真空中必須以約為每秒30萬(wàn)公里的速度傳播，與羅默及其后人的測(cè)量結(jié)果相當(dāng)接近。

用于測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)不斷地變得更精確。到20世紀(jì)50年代，電子計(jì)時(shí)裝置已經(jīng)取代了古老的機(jī)械設(shè)備。20世紀(jì)80年代，通過(guò)測(cè)量激光和頻率（f）和波長(zhǎng)（λ），運(yùn)用c=fλ公式計(jì)算出了光速（c）。這些計(jì)算以米和秒的標(biāo)準(zhǔn)定義為基礎(chǔ)，就像現(xiàn)在一樣，1米定義為氪-86源產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)的1,650,763.73倍，1秒則定義為銫-133原子超精細(xì)躍遷放出的輻射頻率的9,192,631,770倍。這使得c達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，約定為299,792,458米/秒，數(shù)值與當(dāng)時(shí)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1/299,792,458秒內(nèi)走過(guò)的距離。因此自1983年以來(lái)，不管我們對(duì)光速的測(cè)量作了多少精確的修正，都不會(huì)影響到光速值，卻會(huì)影響到米的長(zhǎng)度。你有多高事實(shí)上是由光速定義的。

但光速還定義著比長(zhǎng)度更加基本的東西。阿爾伯特?愛(ài)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(yùn)動(dòng)的速度，還是連接時(shí)間與空間的基本常數(shù)。

愛(ài)因斯坦年輕的時(shí)候曾經(jīng)問(wèn)自己，如果人運(yùn)動(dòng)的速度快到足以跟上光的腳步，光看起來(lái)是什么樣子的。理論上它看上去像是你身邊一個(gè)靜止的峰，但愛(ài)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(rèn)為，要么是麥克斯韋的理論不適用于運(yùn)動(dòng)中的觀察者，要么是相對(duì)運(yùn)動(dòng)力學(xué)需要更改。

愛(ài)因斯坦在他1905年發(fā)表的狹義相對(duì)論里解決了這個(gè)問(wèn)題。這一理論基于一個(gè)通用原則：相對(duì)任何以恒定速度運(yùn)動(dòng)的觀察者來(lái)說(shuō)，不管這個(gè)速度是多少，物理原理及光速都是一樣的。愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論使我們對(duì)時(shí)間和空間的觀念發(fā)生了革命性的變化，強(qiáng)調(diào)了光速在物理學(xué)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(huì)看到這一脈沖以光速遠(yuǎn)去。無(wú)論你相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)的速度為多少，譬如光速的99%罷，光線仍以光速超越你?？雌饋?lái)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(shí)間和空間。

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

但按照基本力學(xué)原理，如果光線偏轉(zhuǎn)，它會(huì)被加速。這是否將使光速發(fā)生變化，動(dòng)搖相對(duì)論的根本原則？在某種意義上是對(duì)的：我們從地球上觀察到的光速，在它從太陽(yáng)附近經(jīng)過(guò)時(shí)確實(shí)會(huì)變化。然而相對(duì)論和光速不變?cè)聿荒鼙粧仐墶?/p>

光速與引力

愛(ài)因斯坦認(rèn)識(shí)到，引力是無(wú)法自由運(yùn)動(dòng)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(guò)程中，你不會(huì)感動(dòng)周圍的引力作用，但任何在地面上瞧著你落下來(lái)的人，都會(huì)解釋說(shuō)你的運(yùn)動(dòng)是引力的作用所致。同樣的說(shuō)法對(duì)空間站中的宇航員也適用：他們被提及時(shí)總是說(shuō)成時(shí)處在“零重力”環(huán)境里，但從地球的表面往上看，我們會(huì)用引力吸引來(lái)解釋他們繞地球的軌道運(yùn)動(dòng)。所以當(dāng)我們從地球上觀察時(shí)，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)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(yáng)，光線看上去會(huì)以恒速沿直線經(jīng)過(guò)我們身邊。對(duì)任何自由落體的觀察者來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)他的光線都以恒定速度運(yùn)動(dòng)。不過(guò)，它在掠過(guò)扭曲其附近時(shí)空的大質(zhì)量物體時(shí)，看上去會(huì)彎曲和加速。

相對(duì)論另一個(gè)奇怪的推論是，沒(méi)有任何物體能加速到光速。不和我們建造動(dòng)力多么強(qiáng)勁的火箭飛船，它們也永遠(yuǎn)不能到達(dá)光速。這是因?yàn)槲矬w運(yùn)動(dòng)得越快，其動(dòng)能越大，慣性也越大。愛(ài)因斯坦在他的E=mc2公式中指出，能量和質(zhì)量或者說(shuō)慣性相關(guān)聯(lián)。因此一個(gè)物體的動(dòng)能增加，它的慣性也增加，從而越來(lái)越難繼續(xù)加速。這是一個(gè)收益遞減原理：你對(duì)一個(gè)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(wú)限的能量，粒子物理學(xué)家們對(duì)這一限制深有感觸。質(zhì)子進(jìn)入美國(guó)伊利諾伊州Batawia費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron加速器時(shí)，它們的速度已經(jīng)達(dá)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(jìn)入加速器的速度相比，提高不足1%。

不過(guò)，一直與相對(duì)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(yùn)動(dòng)的。在20世紀(jì)20年代，量子論顯示一個(gè)系統(tǒng)相隔遙遠(yuǎn)的不同組成部分能夠瞬時(shí)聯(lián)系。例如，當(dāng)一個(gè)高能光子衰變成兩個(gè)低能光子時(shí)，它們的狀態(tài)（例如，是順時(shí)針或逆時(shí)針自旋）是不定的，直到對(duì)它們中間的某一個(gè)作出觀察才確定下來(lái)。另一個(gè)粒子看上去感知到它的同伴被進(jìn)行了一次觀測(cè)，結(jié)果是任何對(duì)第二個(gè)粒子的測(cè)量總會(huì)得到與對(duì)第一個(gè)粒子的測(cè)量相一致的結(jié)果。這樣遠(yuǎn)距離的瞬時(shí)聯(lián)系，看起來(lái)像是一個(gè)訊息以無(wú)限大的速度在粒子之間傳遞了。它被愛(ài)因斯坦稱為“幽靈式的超距作用”，聽(tīng)起來(lái)難以置信，但卻是真實(shí)的現(xiàn)象。

1993年，加利福尼亞大學(xué)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(jiān)實(shí)的墻上踢一個(gè)足球，牛頓力學(xué)預(yù)言它會(huì)被彈會(huì)，但量子力學(xué)預(yù)言它還有極小的可能出現(xiàn)在墻的另一面。考慮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(dá)另一面之后立即將能量歸還。這并不違反物理定律，因?yàn)樽罱K能量、動(dòng)量和其它屬性都得到了保存。德國(guó)物理學(xué)家維納?海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理表明，在一個(gè)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，因此量子物理學(xué)原理允許系統(tǒng)利用這種不確定性，短時(shí)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(jì)，障礙物可以任意的厚——不過(guò)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。

Chiao通過(guò)測(cè)量可見(jiàn)光光子通過(guò)特定過(guò)濾器的隧穿時(shí)間，證明了隧穿“超光速”隧穿效應(yīng)的存在。為此，他讓這些光子與在相似時(shí)間內(nèi)穿過(guò)真空的光子進(jìn)行比較。結(jié)果隧穿光子先到達(dá)探測(cè)器，Chiao證明它們穿越過(guò)濾器的速度可能為光速的1.7倍。

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

光速與光波

?目前公認(rèn)光速與介質(zhì)相關(guān)：光在水中的速度：2.25×10^8m/s?，光在玻璃中的速度：2.0×10^8m/s?，光在冰中的速度：2.30×10^8m/s?光，在空氣中的速度：3.0×10^8m/s?，光在酒精中的速度：2.2×10^8m/s?。

承認(rèn)光是波，就應(yīng)該用波學(xué)原理來(lái)分析光，而不是用粒子規(guī)律。任何波在均勻穩(wěn)定的介質(zhì)中，波速都不變，與波源無(wú)關(guān)。例如：無(wú)論在空氣靜止的地面，還是超音速飛機(jī)的內(nèi)部，只要空氣性質(zhì)相同，聲速都不變，這沒(méi)什么奇怪的。在一輛運(yùn)動(dòng)的車上發(fā)射粒子與發(fā)射波也不同，粒子速度是速度疊加，而波的規(guī)律是波速恒定與波源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，且測(cè)量速度在不同介質(zhì)條件下，可以得到多種結(jié)果。

愛(ài)因斯坦受光粒子說(shuō)影響，沒(méi)有把光當(dāng)成波來(lái)分析 - 參見(jiàn)《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》和大學(xué)課本《普通物理學(xué)1》，所以結(jié)果不對(duì)。他也不知道任何一種光介質(zhì)，不知道在穩(wěn)定的空氣中，光速是不會(huì)變的，麥克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，必然得到0結(jié)果；在高速運(yùn)動(dòng)粒子上發(fā)出的光，光速也必然是不變的。