想必大家在日常生活中都有這樣的經(jīng)驗(yàn)，在雷雨天氣，我們總是先看到閃電的光，然后過(guò)了好久才聽(tīng)到轟隆隆的雷聲。這其中的原因也不難理解，那就是因?yàn)楣獾乃俣缺嚷曇舻乃俣瓤於嗔恕?/P>

 閃電（圖片來(lái)自https：//steemkr.com/cryptocurrency/~ontheverge/successful-lighting-test-is-it-a-bitcoin-savior） 閃電（圖片來(lái)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的速度。對(duì)于光，它的速度似乎是無(wú)限的，在日常生活中，光似乎能瞬間從一個(gè)地點(diǎn)到另一個(gè)地點(diǎn)，例如我們打開(kāi)手電筒，幾乎就在同時(shí)我們就看到了手電筒發(fā)出的光傳播的很遠(yuǎn)。其實(shí)光的速度也是有限的，只不過(guò)非常大。

　　光在空氣中的速度約為3*10^8 m/s。這個(gè)速度有多快呢？光在一秒鐘內(nèi)前進(jìn)的距離大約就可以繞地球赤道7圈半，也就是說(shuō)，幾乎一眨眼的時(shí)間光就可以毫不費(fèi)力的環(huán)游世界。從地球到月球的距離約為38萬(wàn)公里，光打個(gè)來(lái)回也僅僅需要兩秒多（事實(shí)上，地球和月球之間的準(zhǔn)確距離就是計(jì)算激光來(lái)回所花費(fèi)時(shí)間得到的）。而人類(lèi)在1969年第一次登上月球，花費(fèi)了三天多的時(shí)間才到達(dá)月球，由此可見(jiàn)光速有多快。光速是目前人類(lèi)已知速度的上限，沒(méi)有什么東西能運(yùn)動(dòng)的比光速還快。既然光速這么快，那科學(xué)家們是如何知道光速的準(zhǔn)確數(shù)值的呢？

激光測(cè)距（圖片來(lái)自https：//www.flickr.com/photos/gsfc/3951835665）激光測(cè)距（圖片來(lái)自https：//www.flickr.com/photos/gsfc/3951835665）
　　光速測(cè)量史

　　人類(lèi)歷史上首次測(cè)量光速是在1676年。當(dāng)時(shí)丹麥天文學(xué)家?jiàn)W勒?羅默通過(guò)研究木星的衛(wèi)星木衛(wèi)一發(fā)現(xiàn)光速是有限的，并不是無(wú)限的，并由此估計(jì)出了光速的值。他估算的過(guò)程如下圖所示：

光速的估量（圖片來(lái)自https：//en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light）光速的估量（圖片來(lái)自https：//en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light）
　　其中的大環(huán)是地球繞太陽(yáng)的軌道，小環(huán)是木衛(wèi)一繞木星的軌道。當(dāng)?shù)厍蜻h(yuǎn)離木星（從L到K）和接近木星（從F到G）時(shí)，木衛(wèi)一從木星的陰影里（C到D）出來(lái)的時(shí)間會(huì)產(chǎn)生變化，從這個(gè)變化可以就知道光速是有限的，再加上木衛(wèi)一繞木星的公轉(zhuǎn)周期和地球的公轉(zhuǎn)周期以及公轉(zhuǎn)速度，就可以估算出光速了。從這中方法估計(jì)出的光速誤差很大，約為2.2x10^8m/s， 比實(shí)際值小26%。

　　在1728年，英國(guó)天文學(xué)家詹姆斯?布拉德利進(jìn)一步提高了光速的準(zhǔn)確度。他所使用的是恒星的光行差。光行差如下圖所示

光行差示意圖 圖片來(lái)自https：//en.wikipedia.org/wiki/Aberration_of_light光行差示意圖 圖片來(lái)自https：//en.wikipedia.org/wiki/Aberration_of_light
　　光行差，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是地球的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使恒星的方位產(chǎn)生變化。舉例來(lái)說(shuō)就是，假設(shè)在無(wú)風(fēng)的天氣里下雨，雨滴會(huì)垂直下落到你的身上，當(dāng)你以一定的速度奔跑是，雨滴就會(huì)以另外一個(gè)角度落到你身上，不再垂直。結(jié)合這個(gè)角度的改變和你的速度，就可以估計(jì)出雨滴下落的速度。同樣使用恒星光行差，結(jié)合地球的公轉(zhuǎn)速度和恒星角度的變化，就可以估算出光速。使用這種方法估算出的光速約為3.01*10^8 m/s，誤差僅僅為0.4%。

　　提升光速測(cè)量精度

　　首次準(zhǔn)確在地球上，而不是依靠天體運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)是在1849年由法國(guó)物理學(xué)家阿曼德?斐索實(shí)行的，他使用的方法叫做齒輪測(cè)速法。

齒輪法測(cè)光速（圖片來(lái)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(cè)光速（圖片來(lái)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/）
　　這個(gè)方法的關(guān)鍵在于齒輪的轉(zhuǎn)速，齒輪從很低的轉(zhuǎn)速開(kāi)始逐漸提速，在轉(zhuǎn)速提升到某一關(guān)鍵速度的時(shí)候，齒輪轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒的角度時(shí)，光線剛好從遠(yuǎn)處的鏡子里折回。這樣根據(jù)兩齒之間的角度以及齒輪的轉(zhuǎn)速，鏡子的距離就可以計(jì)算出光速的大小。假設(shè)齒輪的轉(zhuǎn)速剛好是，齒輪一共有N個(gè)齒，遠(yuǎn)處的鏡子距離觀察者L。那么光速。

，齒輪一共有N個(gè)齒，遠(yuǎn)處的鏡子距離觀察者L。那么光速
。
　　1849年阿曼德?斐索用這種裝置測(cè)出的光速是3.15*10^8m/s，誤差為5%，但是隨后，法國(guó)科學(xué)家萊昂?傅科（就是用傅科擺演示地球自轉(zhuǎn)的那個(gè)科學(xué)家），提高了這個(gè)裝置的精確度，用旋轉(zhuǎn)鏡面代替了旋轉(zhuǎn)的之輪，測(cè)出了2.98*10^8m/s的光速值，誤差縮小到了0.5%。 旋轉(zhuǎn)齒輪法和旋轉(zhuǎn)鏡面法對(duì)于光速的準(zhǔn)確測(cè)量產(chǎn)生了很深遠(yuǎn)的影響，這種方法簡(jiǎn)單易行，結(jié)果很有說(shuō)服力。直到1926年，這種方法都一直被當(dāng)做測(cè)量光速的首選，精度一直提高到了0.001%左右。

　　齒輪測(cè)速法較為精確并且可信地測(cè)出了光速的值。之后不久（1861-1862年）就出現(xiàn)了偉大的麥克斯韋（1831-1879，蘇格蘭物理學(xué)家），給出了麥克斯韋方程組，完美的描述了電磁波的運(yùn)動(dòng)，他從方程組中得出電磁波的速度約為

，
　　非常接近當(dāng)時(shí)光速的值，于是他大膽的猜測(cè)光就是一種特殊頻率的電磁波。后來(lái)的實(shí)驗(yàn)確實(shí)證明了他的猜測(cè)。

史上最偉大的物理學(xué)家之一?詹姆斯?克拉克?麥克斯韋（圖片來(lái)自：維基百科）史上最偉大的物理學(xué)家之一?詹姆斯?克拉克?麥克斯韋（圖片來(lái)自：維基百科）
　　當(dāng)知道光是電磁波之后，我們就可以從另外一種方式得到準(zhǔn)確的光速，那就是通過(guò)測(cè)量（真空磁導(dǎo)率）和（真空介電常數(shù)）來(lái)計(jì)算光速，也就是上面提到的

（真空磁導(dǎo)率）和
（真空介電常數(shù)）來(lái)計(jì)算光速，也就是上面提到的

　　在1907年，美國(guó)科學(xué)家愛(ài)德華（Edward Bennett Rosa）和多爾西（N.E。 Dorsey）通過(guò)這種方法給出了當(dāng)時(shí)最精確的光速值2.99788*10^8m/s，誤差僅僅為0.003%。。

　　20世紀(jì)50年代以后，隨著電子工業(yè)技術(shù)的發(fā)展， 各種測(cè)量光速的新技術(shù)相繼出現(xiàn)，例如諧振腔法（1950年），無(wú)線電干涉法（1958年），激光干涉法（1972年）等。下面我們一一介紹。

　　諧振腔法主要依據(jù)的物理原理就是光也是電磁波，因?yàn)槿我獠ㄩL(zhǎng)的電磁波具有相同的速度，而電磁波的速度和它的波長(zhǎng)和頻率之間存在如下的關(guān)系： 速度=波長(zhǎng)*頻率。諧振腔法通過(guò)腔的尺寸可以很準(zhǔn)確計(jì)算出里面電磁波的波長(zhǎng)，而電磁波的頻率又是已知的，因此，可以直接用上述公式計(jì)算出光的速度（或者說(shuō)電磁波的速度）。

　　最后一種要說(shuō)的就是激光干涉法了。目前各種資料查到的光速的值 299792458m/s，是通過(guò)激光干涉法測(cè)量出來(lái)的。無(wú)線電干涉和激光干涉本質(zhì)上是一樣的，因?yàn)樗鼈兌际褂玫氖请姶挪ǎ皇遣ㄩL(zhǎng)不相同而已。因此我們只介紹激光干涉法。

　　想象一下水波，如下圖所示，當(dāng)兩個(gè)水波相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生干涉。當(dāng)波峰和波峰（或波谷和波谷）相遇時(shí)，產(chǎn)生相加干涉，當(dāng)波峰和波谷相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相消干涉。同樣的道理對(duì)于光或者激光也是成立的。

水波干涉和波峰波谷示意圖（圖片1來(lái)自https：//www.ligo.caltech.edu/page/what-is-interferometer圖片2來(lái)自http://gk-web.hkd.mlit.go.jp/hkop-bousai/fChn/puYougo.html）水波干涉和波峰波谷示意圖（圖片1來(lái)自https：//www.ligo.caltech.edu/page/what-is-interferometer圖片2來(lái)自http://gk-web.hkd.mlit.go.jp/hkop-bousai/fChn/puYougo.html）
激光干涉條紋（圖片來(lái)自https：//www.slideshare.net/hassang66/calibration-of-coordinate-measuring-machines-cmm）激光干涉條紋（圖片來(lái)自https：//www.slideshare.net/hassang66/calibration-of-coordinate-measuring-machines-cmm）
　　激光是一種高度相干的光，因此很適合用于進(jìn)行干涉。從激光器發(fā)出的光的頻率是已知的，精度可以達(dá)到10^-9赫茲 左右，波長(zhǎng)的測(cè)量是通過(guò)法布里-珀羅干涉儀測(cè)量并和基準(zhǔn)波長(zhǎng)86-氪605nm的光譜線進(jìn)行比較得到的，精度也可以達(dá)到10^-9m左右。由于激光干涉對(duì)于波長(zhǎng)的要求非常的高，產(chǎn)生的干涉條紋和激光的波長(zhǎng)密切相關(guān)，因此通過(guò)干涉條紋可以十分準(zhǔn)確的計(jì)算出激光的波長(zhǎng)。有了激光的頻率和波長(zhǎng)，就可以計(jì)算出光速了：光速=頻率*波長(zhǎng)。

　　1972年通過(guò)激光干涉法測(cè)出的光速值是299792.4562?0.0011m/s， 這時(shí)當(dāng)時(shí)能達(dá)到的最高的精度了，因?yàn)楫?dāng)時(shí)米的定義是通過(guò)86-氪605nm的光譜線給出的，它的精度限制了光速精度的進(jìn)一步提高。

　　不久后的1983年，國(guó)際計(jì)量大會(huì)直接規(guī)定光速的值為299792458m/s， 并且反過(guò)來(lái)用光速重新定義了米。也就是說(shuō)現(xiàn)在的光速值是給定的，不會(huì)再改變了，精度也不會(huì)再繼續(xù)提高了，因?yàn)樗呀?jīng)成了“米”這個(gè)基本單位的基準(zhǔn)。所謂的基準(zhǔn)，就是指“米”這個(gè)單位的最高精度是由光速的值給出的，因?yàn)楣馑僦稻哂泻芎玫姆€(wěn)定性和重復(fù)性。

　　從光速測(cè)量的歷史可以看出，科學(xué)的進(jìn)步并不是一蹴而就的，有時(shí)候需要好幾代科學(xué)家的不懈努力才能實(shí)現(xiàn)。光速測(cè)量精度的不斷提高，到現(xiàn)在成了一個(gè)確定的值，這對(duì)于物理學(xué)的發(fā)展來(lái)說(shuō)十分重要。因?yàn)楣馑偈俏锢碇幸粋€(gè)重要的常數(shù)，著名的質(zhì)能方程 E=mc^2， 狹義相對(duì)論中的“尺縮鐘慢”效應(yīng)，廣義相對(duì)論中的引力波，時(shí)空彎曲等等，都和光速密切相關(guān)。