真空中電磁波的傳播速度。真空中電磁波的傳播速度是一個重要的物理量,人們最初通過測量可見光的傳播速度得到它的數值,因此稱為光速。

  目前,國際公認的真空中光速c 的數值為

с=299792458米/秒。

  17世紀前,天文學傢和物理學傢以為光速為無限大,宇宙中恒星的光都是暫態到達地球的。義大利物理學傢伽利略首先對上述論點點提出懷疑,為瞭證明光速的有限性,他在1600年左右曾做過粗糙的實驗,但未獲得成功。

  1676年,丹麥天文學傢O.C.羅默利用觀測木星第一個衛星的星食到達時間的變化,首次測量瞭光速。因為木星和地球的軌道運動周期不同,木星和地球兩者之間的距離在不斷變化,最大距離與最小距離之差等於地球軌道的直徑。羅默發現星食變化周期為13個月,角度起伏約為20秒。這個周期正是地球從距離木星的一個最近位置運行到下一個最近位置的時間。從上述一個位置出發可以估計六個半月後地球到達與木星最遠距離時發生星食的時間。羅默發現,在最遠距離時比最近距離處星食發生的時間延遲瞭22分鐘,他認為這是因為光飛行需要有限速度引起的。但這個解釋當時並未被人們接受。

  1727年,英國天文學傢J.佈拉得雷觀測到光行差現象,即星的表觀位置在地球軌道速度方向上的位移。根據光行差角αv/c(v是地球軌道速度),可以估算光速值,這項獨立觀測使科學傢確認瞭羅默當年所觀測的木星衛星食的延遲就是光速有限的有力論據。

  1849年,法國物理學傢A.H.L.斐索用齒輪法首次在地面實驗室中成功地進行瞭光速測量。他的實驗裝置如圖所示。圖中光源S發出的光束在半鍍銀的鏡子G上反射,經透鏡L1聚焦到O點,從O點發出的光束再經透鏡L2變成平行光束。經過8.67千米後通過透鏡L3會聚到鏡子M上,再由M返回原光路達G後進入觀測者的眼睛。置於O點的齒輪旋轉時把光束切割成許多短脈沖,他用的齒輪有720個齒,轉速為25轉/秒時達到最大光強,這相當於每個光脈沖往返所需時間為1/18000秒,往返距離為17.34千米,由此可得с=312000千米/秒。

  1926年,美國實驗物理學傢A.A.邁克耳孫用旋轉鏡法改進瞭斐索實驗,他用瞭一個八面體的轉鏡,測量的光速平均值為299796±4千米/秒。1929年,他又在真空中重復瞭上述實驗,平均值為299774千米/秒。後來,有人用光電開關代替齒輪轉動來改進斐索實驗,稱為克爾盒法。這種方法比旋轉鏡法的準確度 (10-5量級)又有所提高,達到瞭10-7量級。

  1952年,英國實驗物理學傢K.D.弗羅姆用微波幹涉儀法測量光速值,得到數值為

c=299792.50±0.10(千米/秒)。

  1957年,國際無線電科學協會(URSI)、國際大地測量學和地球物理學協會(IUGG)分別推薦上述結果作為國際推薦值使用,一直沿用到1973年為止。

  1972年,美國標準局的K.M.埃文森等人采用直接測量激光頻率和真空波長值的方法,用兩者的乘積得出真空中光速值,即c=。他們建立瞭從銫頻率基準經過一系列激光器直至由甲烷穩定的氦氖激光器的激光頻率鏈,經過逐級倍頻和差頻的檢測,最終測得甲烷譜線 v3帶P(7)支

分量的頻率值為

     f(CH4)=88376181627±50(千赫),

測量不確定度為±6×10-10;用幹涉法測得甲烷譜線的真空波長值為

λ(CH4)=3392231.40×10-15(米),

不確定度為±4×10-9。由此可得

с==299792458±1.2(米/秒)。

  1973年召開的第 5屆米定義咨詢委員會和1975年召開的第15屆國際計量大會先後確認上述光速值作為國際推薦值使用,它的不確定度為±4×10-9,與當時米定義氪-86橙黃譜線復現不確定度相同。

  由於真空中光速值的準確測量以及激光頻率穩定和粗密測頻技術的發展,促使米的定義發生瞭根本性的變革。

  1983年10月召開的第17屆國際計量大會已經通過瞭新的米定義為:“米是光在真空中在1/299792458秒的時間間隔內行程的長度。”在規定的三種復現方法中均明確指出,真空中光速的數值為c=299792458米/秒。在上述新的米定義中,真空中光速的數值已是一個定義值,通過這個定義值,長度單位米與時間單位秒直接聯系在一起,而不再是一個與其他基本單位無關的獨立基本單位。由於光速已成為定義值,它的不確定度為零,不需要再進行任何測量,從而結束瞭300多年精密測量光速的歷史。

  狹義相對論曾提出兩個著名的原理──相對性原理和光速不變原理。後者是指光在不同慣性系中速度相同。新的米定義已把光速值固定為一個定義值,這與光速不變原理當然是相適應的。目前復現米定義的準確度還處於10-1010-11量級。如果科學傢們要在更高的精度下去檢驗光速是否恒定的規律,進行光速恒定性實驗仍然將是具有重要意義的。

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