光速，光波或电磁波的传播速度

含义解释

光速，指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。真空中的光速是自然界物体运动的最大速度。光速与观测者相对于光源的运动速度无关。运动物体的质量随着速度的增大而增大，当物体速度接近光速时，它的动质量将趋于无穷大，所以质量不为零的物体是无法达到光速的。只有静质量为零的光子，才始终以光速运动着。光速与任何速度叠加，仍然是光速。

真空中的光速是一个重要的物理常量c，。一般近似取300000km/s。

当某物体运动速度相对于另一物体接近光速，某物体的时间相对于另一物体减慢，时间变化符合洛伦兹变换。该结论在二十世纪七十年代通过卫星和地面天文台观测日食的同一时间位置的不同得以证实。光速是目前已知的最大速度，物体达到光速时动能将无穷大，所以按当前人类的认知来说达到光速不可能，光速、超光速的问题不在当今物理学的讨论范围。

研究历史

1675年，丹麦天文学家罗伊默在巴黎天文台观测木卫一时，发现木卫一被木星遮盖的时间有时提前，有时延迟，相差可达22分钟，他断定这是由于光的行进需要时间所造成的。1676年11月22日，罗伊默在法国科学院提出了上述见解，并给出了历史上第一个光速c观测值：；它比真实值低了大约，因为22分钟这个值就不对，实际应为16分钟36秒；此外，他用的地球轨道数据也不准确。

在18世纪、19世纪，又有不同的结果出来。到20世纪，报道的结果越来越接近真实值，测量精度也越来越高。50年代时，英国物理研究所的科学家K.D.Froome发明了“自由空间微波干涉仪”，并于1958年在72GHz频率上得到，测量精度达；国际上有10多年光速都采纳了他的数据。1960年以前的光速测量是低精度和中精度的，而精确值是在20世纪70年代用高精度激光方法测得的。光学测量的最好数据是1948年用光学测距仪测得的结果（系统误差为）；电学测量的最好数据是1923年用LC回路及平行双线对电磁波（导波）测得的结果（系统误差为）；微波测量的最好数据是1950年用圆柱谐振腔对电磁波（驻波）测得的结果（系统误差为）。

20世纪70年代初，英、美科学家开始用激光方法测光速。1972年，美国标准局以K.M.Evenson为首的小组宣布，他们以高度复杂的技术对甲烷稳定激光完成了测频。实验采用了原子频标触发的激光频率链，其中包括6台不同的激光器和5个微波速调管。结果得到Hz，测量精度达。故可算出真空中光速，精度达；这样，真空中光速c的测量精度提高了100倍。1973年6月，国际计量局米定义咨询委员会决定，取激光波长，激光频率同前，算出作为公认的光速值。同年8月，国际天文联合会决定采用。1975年，第15届国际计量大会认可了这个值。

光速测量年表

介质影响

令，且设v是静止介质中的光速，u是介质的运动速度，v'是所要求得的运动介质中的光速。另请不要在意下文矢量的书写。

光在不同介质中的速度不同，由于光是电磁波，因此光速也就依赖于介质的介电常数和磁导率。在各向同性的静止介质中，光速是一个小于真空光速c的定值。如果介质以一定的速度运动，则一般求光速的方法是先建立一个随动参考系，其中的光速是静止介质中的光速，然后通过参考系变换得到运动介质中的光速；或者可以直接用相对论速度叠加公式去求运动介质中的光速。

光和声虽然都具有波动性质，但两者波速的算法是完全不同的。以声音实验为例：空气对地面静止，第1次我们不动测得我们发出的声音1秒钟前进了300米；第二次我们1秒钟匀速后退1米，测得声音距我们301米，得到结论：两次声音相对地面速度不变，相对我们，第一次300米/秒；第2次301米/秒。在牵涉到的速度远小于光速的情况下，声速满足线性叠加。

换做光实验，我们用玻璃介质再做一次，静止玻璃中的光速，在各个方向上都是相等的。我们再做一个我们不动，让玻璃匀速运动的实验，会发现光对玻璃的速度在不同方向上是不等的，但不是简简单单的线性叠加了，而是遵循相对论速度叠加：其实在前述声速实验中，声速严格来讲遵循的也是相对论速度叠加，只是若u、v都远小于光速c，则式子中的是个很小的值，近似略去之后就得，回到经典的线性叠加形式。

所以，千万不可用低速条件下机械波的近似规律去硬套光波。

作为狭义相对论基本假设之一的光速不变原理，永远指的是真空中的光速c不变，它是基本物理常数之一。如果有介质，就需要利用相对论速度叠加公式去求光速，切忌用简单线性叠加。对光速不变原理的正确理解，是正确理解狭义相对论的关键之一。

不同介质中有不同的光速值。1850年，菲佐用齿轮法测定了光在水中的速度，证明水中光速小于空气中的光速。几乎在同时，傅科用旋转镜法也测量了水中的光速（），得到了同样的结论。这一实验结果与波动说相一致而与牛顿解释光的折射定律时的微粒说相矛盾，这对光的波动本性的确立在历史上曾起过重要作用。1851年，菲佐用干涉法测量了运动介质中的光速，证实了A.-J.菲涅耳的曳引公式。

以下为常见介质中的光速。

研究方法

天文学方法

光速的测量，首先在天文学上获得成功，这是因为宇宙广阔的空间提供了测量光速所需要的足够大的距离。1676年，丹麦天文学家O.C.罗默利用木星卫星的星蚀时间变化证实光是以有限速度传播的。1727年，英国天文学家J.布拉得雷利用恒星光行差现象估算出光速值为c=303000千米/秒。

1）罗默卫星蚀法

1676年，丹麦天文学家罗默（1644—1710）首先测量了光速。由于任何周期性的变化过程都可当作时钟，他成功地找到了离观察者非常遥远而相当准确的“时钟”，罗默在观察时所用的是木星每隔一定周期所出现的一次卫星蚀。他在观察时注意到：连续两次卫星蚀相隔的时间，当地球背离木星运动时，要比地球迎向木星运动时要长一些，他用光的传播速度是有限的来解释这个现象，光从木星发出（实际上是木星的卫星发出），当地球离开木星运动时，光必须追上地球，因而从地面上观察木星的两次卫星蚀相隔的时间，要比实际相隔的时间长一些；当地球迎向木星运动时，这个时间就短一些，因为卫星绕木星的周期不大（约为1.75天），所以上述时间差数，在最合适的时间不致超过15秒（地球的公转轨道速度约为30千米/秒）。因此，为了取得可靠的结果，当时的观察曾在整年中连续地进行，罗默通过观察从卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速，由于当时只知道地球轨道半径的近似值，故求出的光速只有214300km/s。这个光速值尽管离光速的准确值相差甚远，但它却是测定光速历史上的第一个记录，后来人们用照相方法测量木星卫星蚀的时间，并在地球轨道半径测量准确度提高后，用罗默法求得的光速为299840±60km/s。

2）光行差法

1728年，英国天文学家布莱德雷（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，布莱德雷在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周，他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化，他由此测得光速为：千米/秒。这一数值与实际值比较接近。

以上仅是利用天文学的现象和观察数值对光速的测定，而在实验室内限于当时的条件，测定光速尚不能实现。

地面测量方法

光速的测定包含着对光所通过的距离和所需时间的量度，由于光速很大，所以必须测量一个很长的距离和一个很短的时间，大地测量法就是围绕着如何准确测定距离和时间而设计的各种方法。

1629年，艾萨克·毕克曼（Beeckman）提出一项试验，一人将闪光灯炮反映过一面镜子，约一英里。伽利略认为光速是有限的，1638年他请二个人提灯笼各爬上相距仅约一公里的山上，第一组人掀开灯笼，并开始计时，对面山上的人看见亮光后掀开灯笼，第一组看见亮光后，停止计时，这是史上著名的测量光速的掩灯方案，这种测量方法实际测到的主要只是实验者的反应和人手的动作时间。

测定光速方法

物理学发展史上，最早提出测量光速的是意大利物理学家伽利略，1607年在他的实验中，让相距甚远的两个观察者，各执一盏能遮闭的灯。观察者A打开灯光，经过一定时间后，光到达观察者B，B立即打开自己的灯光，过了某一时间后，此信号回到A，于是A可以记下从他自己开灯的一瞬间，到信号从B返回到A的一瞬间所经过的时间间隔t。若两观察者的距离为S，则光的速度为。

因为光速很大，加之观察者还要有一定的反应时间，所以伽利略的尝试没有成功，如果用反射镜来代替B，那么情况有所改善，这样就可以避免观察者所引入的误差。这种测量原理长远地保留在后来的一切测定光速的实验方法之中，甚至在现代测定光速的实验中仍然采用，但在信号接收上和时间测量上，要采用可靠的方法。使用这些方法甚至能在不太长的距离上测定光速，并达到足够高的精确度。

旋转齿轮法

该实验方法是斐索于1849年提出的。他用定期遮断光线的方法（旋转齿轮法）进行自动记录。从光源s发出的光经会聚透镜L1射到半镀银的镜面A，由此反射后在齿轮W的齿和之间的空隙内会聚，再经透镜L2和L3而达到反射镜M，然后再反射回来，又通过半镀镜A由L4集聚后射入观察者的眼睛E，如使齿轮转动，那么在光达到M镜后再反射回来时所经过的时间△t内，齿轮将转过一个角度，如果这时与之间的空隙为齿a（或a’）所占据，则反射回来的光将被遮断，因而观察者将看不到光，但如齿轮转到这样一个角度，使由M镜反射回来的光从另一齿间空隙通过，那么观察者会重新看到光，当齿轮转动得更快，反射光又被另一个齿遮断时，光又消失。这样，当齿轮转速由零而逐渐加快时，在E处将看到闪光，由齿轮转速v、齿数n与齿轮和M的间距L可推得光速。

在斐索的实验中，当具有720齿的齿轮，一秒钟内转动12.67次时，光将首次被挡住而消失，空隙与轮齿交替所需时间为。

在这一时间内，光所经过的光程为米，所以光速

遮断法中除旋转齿轮法外，现代还采用克尔盒法。1941年，安德孙用克尔盒法测得：，1951年贝格斯格兰又用克尔盒法测得。

光速[物理学名词]旋转镜法

在傅科的旋转镜法实验中：米，，米，弧度/秒，他求得光速值。

另外，傅科还利用这个实验的基本原理，首次测出了光在介质（水）中的速度，对波动说提供了有力证据。

迈克尔逊干涉仪

旋转棱镜法

美国的迈克尔逊把齿轮法和旋转镜法结合起来，创造了旋转棱镜法装置。因为齿轮法之所以不够准确，是由于不仅当齿的中央将光遮断时变暗，而且当齿的边缘遮断光时也是如此。因此不能精确地测定象消失的瞬时，旋转镜法也不够精确，因为在该法中象的位移△s太小，只有0.7毫米，不易测准。迈克耳逊的旋转镜法克服了这些缺点，他用一个正八面钢质棱镜代替了旋转镜法中的旋转平面镜，从而光路大大的增长，并利用精确地测定棱镜的转动速度代替测齿轮法中的齿轮转速测出光走完整个路程所需的时间，从而减少了测量误差。从1879年至1926年，迈克耳逊曾前后从事光速的测量工作近五十年，在这方面付出了极大的劳动，1926年他的最后一个光速测定值为：，这是当时最精确的测定值，很快成为当时光速的公认值。

实验室方法

天文学方法和大地测量方法，都是采用测定光信号的传播距离和传播时间来确定光速的，这要求要尽可能地增加光程，改进时间测量的准确性。这在实验室里一般是受时空限制的，而只能在大地野外进行，如斐索的旋轮齿轮法当时是在巴黎的苏冷与达蒙玛特勒相距8633米的两地进行的，傅科的旋转镜法当时也是在野外，迈克耳逊当时是在相距35373.21米的两个山峰上完成的，现代科学技术的发展，使人们可以使用更小更精确地实验仪器在实验室中进行光速的测量。

微波谐振腔法

1950年，埃森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速。在他的实验中，将微波输入到圆柱形的谐振腔中，当微波波长和谐振腔的几何尺寸匹配时，谐振腔的圆周长πD和波长之比有如下的关系：，因此可以通过谐振腔直径的测定来确定波长，而直径则用干涉法测量；频率用逐级差频法测定，测量精度达，在埃森的实验中，所用微波的波长为10厘米，所得光速的结果为。

激光测速法

1970年，美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速，这个方法的原理是同时测定激光的波长和频率来确定光速（）。由于激光的频率和波长的测量精确度已大大提高，所以用激光测速法的测量精度可达，比以前已有最精密的实验方法提高精度约100倍。

除了以上介绍的几种测量光速的方法外，还有许多其他精确测定光速的方法。

根据1975年第十五届国际计量大会的决议，现代真空中光速的准确值为：。

相关故事

十六岁时，爱因斯坦发现世界上似乎没有东西能够追上光速。二十六岁时，他用严密的数学证明了这一发现。在瑞士专利局工作期间，他通过麦克斯韦尔方程式推导了狭义相对论（special relativity），得到了光速不变原理。爱因斯坦指出，无论我们怎样加速，无论我们自身的速度如何，人们所能测量的光速是一样的。

对于这一结论，爱因斯坦给出的解释是：时间变慢了！就是说，我们移动得越快，时钟就走得越慢，我们的量尺也越短，所以，我们测量的光速是不变的。

爱因斯坦进一步思考：所有的物体都必须使用时钟与量尺来测量，既然时间和量尺都是变化的，所以我们必须校正所有的物理量（quantity），于是他导出了下一个重大的结论：质量是从能量来的。

这个结论，一举推翻了十九世纪的两大物理发现：质量守恒和能量守恒。自此以后，质量与能量被视为单一单位：质-能（matter-energy）。爱因斯坦同时给出了质能变动的方程式，那就是著名的 E＝mc²。光速追寻一下狭义相对论的推导过程：

光速恒定⇒时间变慢⇒质量不恒定⇒“质量-能量”相互转换⇒ E＝mc²

狭义相对论，统一了“时空”，也统一了“质能”。

实验论证

2011年9月，欧洲研究人员发现了一个无法解释的现象：比光速快60纳秒的中微子。一旦被证实，将颠覆现代物理学的相对论。

而2012年3月3日消息称，经过数月的反复检查，欧洲核子中心日前宣布，卫星定位系统同步接收器可能存在“调校”问题，并高估了中微子运行时间，而把卫星定位系统信号传送到原子时钟的光缆可能出现连接“松动”并导致低估了粒子包飞行时间。不久，《科学》杂志也刊文指出，连接原子钟的光缆出现松动，可能导致计算中微子运行时间的原子钟产生了错误结果。再往后，欧洲核子中心的调查结果显示，该实验结论是实验电缆出错造成的，并没有颠覆相对论。

原来，“中微子速度超过光速”只是一场乌龙。

欧洲核子中心——大型粒子对撞机