光跑这么快，它的速度是如何测量的

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闪电(来自https://steemkr.com/cryptocurrency/@的边缘/成功照明测试是比特币救世主的图片)

声音在空气中的速度大约是340米/秒，1马赫是声音在空气中的速度。至于光，它的速度似乎是无限的。在日常生活中，光似乎在瞬间从一个地方传播到另一个地方。例如，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。事实上，光速是有限的，但它非常大。

光在空气中的速度大约是3 * 10 8米/秒。这有多快？光在一秒钟内绕地球赤道传播的距离大约是7.5倍，也就是说，光几乎可以在一眨眼的时间里毫不费力地绕地球传播。从地球到月球的距离约为380，000公里，往返只需要两秒钟以上(事实上，地球和月球之间的精确距离是通过计算激光来回所需的时间获得的)。然而，人类在1969年第一次到达月球花了三天多的时间，这显示了光的传播速度有多快。光速是人类已知速度的上限。没有什么能比光速更快。既然光速如此之快，科学家如何知道光速的确切值？

光速测量的历史

人类历史上第一次测量光速是在1676年。当时，丹麦天文学家奥尔默特通过研究木星的卫星木卫一，发现光速是有限的，而不是无限的，因此估算了光速的值。他的估算过程如下图所示:

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。当地球离开木星(从左到右)并接近木星(从左到右)时，木卫一从木星阴影中出现的时间将会改变。从这个变化中，我们可以知道光速是有限的。再加上木卫一围绕木星的公转周期和地球的公转周期及其公转速度，我们就可以估计光速。这种方法估计的光速误差很大，约为2.2×108米/秒，比实际值小26%。

1728年，英国天文学家詹姆斯·布拉德利进一步提高了光速的精确度。他用的是恒星畸变。光学像差如下图所示

光学像差示意图(https://en.wikipedia.org/wiki/Aberration_of_light图片)

简单地说，光学像差是地球的运动，它改变了恒星的方向。例如，如果在平静的天气下下雨，雨滴会垂直落在你身上。如果你以一定的速度奔跑，雨滴会以另一个角度落在你身上，而不是垂直方向。结合这个角度变化和你的速度，你可以估计雨滴下落的速度。类似地，光速可以通过利用恒星像差并结合地球的旋转速度和恒星角度的变化来估计。用这种方法估计的光速约为3.01*10^8米/秒，误差仅为0.4%。

新理念:如何提高光速测量的精度？

1849年，法国物理学家阿曼德·菲佐进行了第一次实验，在地球上精确测量光速，而不是依靠天体的运动。他的方法叫做齿轮速度测量。

齿轮法测速仪

这种方法的关键是齿轮的转速。齿轮从非常低的转速开始逐渐增加。当旋转速度增加到某个临界速度时，当齿轮以两个齿的角度旋转时，光正好从远处的镜子返回。这样，根据两个齿之间的角度和齿轮的转速，镜子之间的距离就可以计算出光速。假设齿轮的转速正好是ω，齿轮总共有N个齿，并且远镜远离观察者L。那么光速=L*ω*N/π

1849年，阿曼德·菲佐用这个装置测量光速为3.15 * 108米/秒，误差为5%。然而，法国科学家利昂·福柯(也就是用福柯摆演示地球自转的科学家)提高了这种装置的精度，用旋转镜代替了旋转轮，测量光速为2.98×108米/秒，误差降低到0.5%。旋转齿轮法和旋转反射镜法对光速的精确测量有着深远的影响。该方法简单易行，结果令人信服。直到1926年，这种方法一直被认为是测量光速的首选方法，精确度提高到0.001%左右。

齿轮速度测量方法能够准确可靠地测量光速。不久之后(1861862)，伟大的麦克斯韦(1831879，苏格兰物理学家)出现并给出了麦克斯韦方程，它完美地描述了电磁波的运动。他从方程中得出电磁波的速度约为c = 1/√(μ_ 0ε_ 0)≈3 * 108米/秒，非常接近当时的光速，因此他大胆地推测光是一种具有特殊频率的电磁波。后来的实验证实了他的猜测。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，历史上最伟大的物理学家之一

当我们知道光是电磁波时，我们可以用另一种方法计算光速，即c = 1/√(μ0ε0)，得到准0(真空磁导率)和ε0(真空介电常数)。1907年，美国科学家爱德华·贝内特·罗莎和N.E .多西给出了2.99788*10^8m/s/s最精确的光速值，误差仅为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，如谐振腔法(1950)、无线电干涉法(1958)、激光干涉法(1972)等。让我们逐一介绍他们。

谐振腔法主要基于光也是电磁波的物理原理，因为任何波长的电磁波都有相同的速度，电磁波的速度与其波长和频率有如下关系:速度=波长*频率。谐振腔法可以通过谐振腔的大小精确地计算出电磁波在腔内的波长，并且电磁波的频率是已知的，因此，光速(或电磁波的速度)可以由上面的公式直接计算出来。

最后一个是激光干涉。目前，在各种数据中发现的光速值299792458米/秒是用激光干涉法测量的。无线电干扰和激光干扰本质上是相同的，因为它们都使用不同波长的电磁波。因此，我们将只介绍激光干涉法。

想象一下水波。如下图所示，当两个水波相遇时，会有干扰。当波峰和波峰(或波谷和波谷)相遇时，会发生叠加干扰；当波峰和波谷相遇时，会发生相消干扰。光或激光也是如此。

波浪干扰和波峰波谷示意图(https://www.ligo.caltech.edu/page/what-is-interferometer图1和http://gk-web.hkd.mlit.go.jp/hkop-bousai/fChn/puYougo.html图2)

激光干涉条纹(图片来源:https://www . slide share . net/Hassan 66/calibration-of-coordination-measurement-machines-CMM)

激光是一种高度相干光，因此非常适合于干涉。从激光器发射的光的频率是已知的，并且精度可以达到大约10-9赫兹。波长测量采用法布里-珀罗干涉仪，并与8氪605nm的参考波长进行比较，精度也可达到10-9 m左右。由于激光干涉需要很高的波长，产生的干涉条纹与激光的波长密切相关，因此通过干涉条纹可以非常精确地计算出激光的波长。根据激光的频率和波长，可以计算出光速:光速=频率*波长。

1972年激光干涉测量的光速为299，792.4562±0.0011米/秒，是当时能达到的最高精度，因为米的定义是由8氪605纳米的谱线给出的，其精度限制了光速精度的进一步提高。

1983年后不久，国际计量会议直接规定光速为299792458米/秒，并以光速重新定义了米。也就是说，当前的光速是给定的，不会改变，精度也不会继续提高，因为它已经成为基本单位“米”的基准。所谓基准是指单位“米”的最高精度由光速的值给出，因为光速的值具有良好的稳定性和可重复性。

从光速测量的历史可以看出，科学进步不是一蹴而就的，有时它需要几代科学家的不懈努力。光速测量精度的不断提高现在已经成为一个确定的数值，这对物理学的发展非常重要。因为光速在物理学中是一个重要的常数，众所周知的质量能量方程e = MC ^ 2，狭义相对论中的“标度时钟慢”效应，广义相对论中的引力波，时空曲率等等。，都与光速密切相关。

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