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光速是物理學中的一個重要常數，它表示光在真空中傳播的速度。以字母c表示，其值為299,792,458米/秒。這個速度是電磁波在真空中的速度，也是所有電磁波在真空中傳播的速度極限。 光速在許多物理學定理和現象中都起著重要的作用。根據狹義相對論，光速是宇宙中所有物質運動的極限速度，任何物體都無法以超過光速的速度移動。此外，光速還與時間、空間和引力等概念密切相關。 除了在物理學中的重要性，光速還在其他領域中有廣泛的應用。例如，在通信領域中，光速是光纖通信和衛(wèi)星通信的基礎。在光學領域中，光速也是非常重要的，因為許多光學現象都與光速有關。 總之，光速是物理學中的一個非常重要的常數，它與許多定理和現象都有著密切的聯系，并在許多領域中有廣泛的應用。光速
通用物理常數
光速是一個物理常數，指真空中光和其他電磁波的速度。通常以英文字母 c 表示，真空中光速也稱為自由空間中光速。無線電波、X射線等電磁波都以光速傳播。光波傳播的速度，與力學、電磁學、光學及近代物理中的許多定理都有著極為密切的聯系。光速是目前科學界所發(fā)現的速度極限，根據狹義相對論光速是宇宙中所有的物質運動或能量（以及攜帶的信息）在空間中傳播的速度上限，也是所有無質量粒子及對應的場波動在真空中運行的速度。這由電子在電子加速器中被加速時的一些實驗結果得到了證實。在相對論中，光速c與空間和時間相關聯，在質能等價方程中具有特殊意義。在特定情況下，物體或波的傳播速度可能比光速更快（例如，波的相速度、某些高速天文物體的出現以及特定的量子效應）。
基本信息
中文名
光速
英文名
Lightspeed / speed of light / velocity of light / electromagnetic constant
相關著作
《相對論》
相關性質
1．光速的絕對性：光速是極限速度，以光速運動的粒子的引力質量為0
2．光速是一種標量速度，在各個方向上大小相等
3．光速同任何速度相加之和仍為光速。光速與任何速度（亞光速、光速或超光速）的合成速度仍是光速
4．光速的不變性：對于同一個參照系，光速值為常數，與光源的運動狀態(tài)和方向無關
不同介質
光的波長
不同介質中光速的計算方法：令
若介質的折射率隨光波頻率變化很大，群速度就會變得很小。所以，在小頻率范圍內介質的折射率發(fā)生急劇變化是實現光速減慢的關鍵。
機制原理
一般的牛頓第二定律是：當力F作用于質量為m的物體上時，所產生的動量mv的變化率等于這個力，即F＝
m=
其中c是光速，m0是粒子的靜止質量。設M＝m-m0是粒子質量的增量，則其能量的相應增量E為粒子所受力F對它所作的功，即E=
由 (1)有m=
由 (2)有E=
=m0c
研究歷史
亞里士多德堅信光不會移動，只存在出現與否的差異，這一觀點得到當時許多人的支持。古希臘人認為，視覺對于光傳播的感知是從眼球指向被觀測物體的。但是亞歷山大的海倫（Heronof Alexandria）認為：若當真如此，那么光的傳播必然是瞬時的，否則當我們睜開眼睛時，又如何能瞬間看到遠方的星體。伊斯蘭學者阿爾哈曾（Alhazen）著有《光學寶鑒》（Book of Optics），他認為光是從相反方向傳播而來，是從被觀察物體傳播到觀測者眼中的。
意大利物理學家伽利略認為，只要光的傳播需要時間，人類就能測算出光速。1607年，36歲的伽利略進行了世界上第一個測量光速的實驗。他提出通過計量光信號傳播時間來計算光速的方法：一人帶著時鐘和提燈站在一座山丘上，另一人也拿著提燈站在鄰近且距離已知的另一山丘上。第一人打開燈時開始計時，第二人看到光后，打開自己的燈，第一人看到第二人的燈光時，停止計時。為了使光傳播距離較遠，測定誤差較小，他讓兩個人分別站在兩座山上。由于伽利略測量光速所用的距離過短，不足以精確測量出光線傳播時長，所以實驗以失敗告終。法國數學家笛卡爾對此實驗做了進一步改良，他認為：若光線從太陽或月球傳播到地球需要時間，那月食等現象真實發(fā)生的時刻就會和人類的預測存在差別。但經過多次觀測，仍未發(fā)現任何時滯。事實上，伽利略和笛卡爾的思路是正確的，但由于光線傳播速度極快，穿過月地距離和日地距離的時間十分短暫，當時的實驗器材不足以觀測出來。
1676年，丹麥天文學家奧勒·羅默（OIaus Roemer）第一次提出了有效的光速測量方法并成功運用“木星衛(wèi)星法”計算出了光速。他在巴黎對木星的一個衛(wèi)星木衛(wèi)一的掩星研究觀測發(fā)現：它的掩星發(fā)生時間與預期時間不符。地球靠近木星時，掩星早11分鐘；地球距木星較遠時，掩星晚11分鐘。并且在地球處于太陽和木星之間時的周期與太陽處于地球和木星之間時的周期相差十四、五天。他認為這種現象是由于光具有速度造成的，他還推斷出光跨越地球軌道所需時間為22分鐘。1676年9月，羅默預言預計11月9日上午5點25分45秒發(fā)生的木衛(wèi)食將推遲10分鐘。觀測最終證實了羅默的預言。結合木星距離，羅默估算出光速約為2.1
1725年，英國天文學家詹姆斯?布拉德雷（James Bradley）發(fā)現了恒星的“光行差”現象，以意外的方式證實了羅默的理論。一開始，他無法解釋他觀測到的這一現象，直到1728年，他在坐船時受到風向與船航向相對關系的啟發(fā)，認識到光的傳播速度與地球公轉速度共同引起了“光行差”的現象。他用地球公轉的速度與光速的比例估算出了太陽光到達地球需要8分13秒。布拉德雷測定值證明了羅默的光速有限性的說法。
1849年9月，法國人斐索（A.H.Fizeau）用旋轉齒輪法測得光速為3.153
1928年，美國物理學家阿爾伯特?邁克爾遜為了測定出誤差在0.001%以內，精確程度滿足最基本的核物理運算的光速值，已經在過去50多年內設計了12次實驗。他發(fā)明了6臺精密裝置，最終準確地測定出光速。并因此獲得了諾貝爾獎。邁克爾遜用一個能夠恒速旋轉的引擎驅動八邊形棱鏡高速旋轉，他向棱鏡照射光線，在鏡子旋轉到某點時，光束正好能夠反射到屋子后墻上靜止的曲面鏡上。這面旋轉的鏡子只用遠遠少于1秒的時間就能夠把光線反射回曲面鏡上，然后又繼續(xù)旋轉。曲面鏡從棱鏡的每面都會收到短光脈沖。每個光脈沖經過聚焦透鏡的反射，穿過墻洞，傳播到22英里外的圣·安東尼山上。在那里，經過第二個聚焦透鏡的反射，光脈沖又從一面鏡子上徑直返回鮑爾迪山。在這里，光脈沖又照射到后墻的曲面鏡上，最后反射到旋轉鏡上。每個光脈沖不到1/4000秒就完成44英里的路程。返回光線在棱鏡的反射下，就會投射到柵屋墻上的一個點。通過從棱鏡與這一點的角度，邁克爾遜可以計算出光脈沖完成44英里往返路程，鏡子轉動的角度，并以此計算出光速。邁克爾遜計算出光速是2.997950377
20 世紀初，兩位科學家從理論上推算出光速的數值。1906 年，羅薩（E.B.Rosa）和竇賽（N.E.Dorsey）發(fā)表了一個準確的光速值：299784±15 km/s。這個數值是他們通過測量兩類電單位之比，即絕對靜電單位(esu)中的電荷與絕對電磁單位(emu)的同一電荷之比獲得的。1941年，伯奇(R.T.Birge)評論此實驗為“整個科學史上精密研究中完成的最美的實驗之一” 。二人測量的光速值處于當時光速測量值的中間值，與2.99774
1924年，卡羅盧斯（Karolus）和米特爾施泰特（Mittelstaedt）提出利用克爾盒法來測定光速。1934年，谷瑞·德布雷（Cheury de Brayza）發(fā)表了有關光速的文章，其中列出了他們幾年間光速的測量結果：1924年的結果為2.99802
20世紀50年代流行用微波法測定光速，1958年有一個較精確的光速值是在微波干涉儀（f=72GHz）中獲得的：c=2.99792500
1973年6月，國際計量局（BIPM）米定義咨詢委員會決定以高精度光頻測量和高精度光波長為基礎：取激光波長
但光速還定義著比長度更加基本的東西。阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的工作表明了光速的真正重要性。他證明光速不僅僅是光子在真空中運動的速度，還是連接時間與空間的基本常數，不過，一直與相對論有沖突的量子理論是允許物質以大于光速的速度運動的。在20世紀20年代，量子論顯示一個系統相隔遙遠的不同組成部分能夠瞬時聯系。1993年，加利福尼亞大學伯克利分校的Raymond Chiao表明，量子理論還允許另一種超光速旅行存在：量子隧穿。德國物理學家維納·海森堡的測不準原理表明：在一個系統中，總有某些屬性，在這一情況中是能量的值是不能確定的，只能確定在一個區(qū)間內，因此量子物理學原理允許系統利用這種不確定性，短時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的需要幾乎可以忽略不計。不過隨著厚度增加，粒子隧穿的幾率也就迅速地朝零的方向遞減，但不會等于0（如若這樣，海森堡原理就會被反對）。Chiao通過測量可見光光子通過特定過濾器的隧穿時間，證明了隧穿“超光速”的隧穿效應存在。為此，他讓這些光子與在相似時間內穿過真空的光子進行比較。結果隧穿光子先到達探測器，Chiao證明它們穿越過濾器的速度可能為光速的1.7倍。2008年8月，《Nature》雜志上，瑞士的塞拉特等5位科學家公布了他們的一項最新研究成果：量子信息傳輸速度遠超光速。瑞士科學家對相互糾纏的光子進行了實驗研究。通過對其中一個光子的分析，科學家可以預測另一光子的特征。在實驗中，任何隱藏信號從此接收站傳送到彼接收站，僅僅需要一百萬兆分之一秒。由此可以推測任何未知信號的傳輸速率至少是光速的1萬倍。
測定方法
經典物理測定方法
旋轉棱鏡法
旋轉棱鏡法
棱鏡不轉動時，只有八棱鏡的某一面恰好與人射光線成45度角時，光線能被反射至遠方的反射裝置，反射回來的光線經另一面反射進入觀察者眼睛，觀察者能看到光源的像。棱鏡以較小的轉速轉動時，光線經1號面和反射裝置反射后到達棱鏡時，3號面已經不再與光線成45度角，光線無法進入觀察者眼睛，觀察不到光源的像。若緩慢提高棱鏡轉速，當光線反射回棱鏡時，棱鏡剛好轉過1/8轉，即2號面轉至原3號面所在位置，則光線又可以進入觀察者眼睛，重新看到光源的像。
棱鏡轉速只有在目標轉速附近極小的范圍內可以看到光源的像，其他轉速下均觀察不到光源的像。在此實驗中，實驗現象稍縱即逝，很難被觀察到。一旦被觀察到，對應的轉速會比較精確，測量結果精度較高。
旋轉齒輪法
旋轉齒輪法
實驗中選用齒寬和齒間縫寬相等的齒輪，當齒輪勻速轉動時，光線周期性被齒輪遮擋，這些光線由反射裝置反射回齒輪處時，具有一定的延時，返回的光線被齒輪部分遮擋，若進一步提高齒輪轉速，則齒輪透光時間和擋光時間均減小，反射光線中被遮擋的比例增大。當其減小到剛好等于光線反射延時，反射光線剛好全部被遮擋，觀察者剛好看不到光源的像。
齒輪轉速在接近目標轉速的過程中，看到光源的像逐漸變暗，轉速超過目標轉速后，像又逐漸變亮。在此實驗中，實驗現象容易被觀察到。但在目標轉速附近，像的亮度小到觀察者無法識別時會和目標狀態(tài)混為一體，于是目標轉速的不確定度便增大了，降低了實驗精度。
近代物理測定方法
微波諧振腔法
1950 年，埃森（Essen）提出用空腔共振法來測量光速。原理是：微波通過空腔時，根據空腔的長度可以求出諧振腔的波長，把諧振腔的波長換算成光在真空中的波長，由波長和頻率的乘積可計算出真空中光速。在實驗中，將微波輸入到圓柱形的諧振腔中，當微波波長和諧振腔的幾何尺寸匹配時，諧振腔的圓周長
微波干涉儀法
1952年至1954年，英國國家物理研究所（NPL）的弗洛姆（Froome）用微波干涉儀測定了真空中光速值。通過微波干涉儀測定波長和頻率計算出光速。
光電測距儀法
用光在被測基線(約10km)內的飛行時間測定，是伽利略試驗的發(fā)展。1949年至1957年，瑞典的貝奇斯傳德采用了光電測距儀的方法，他用經過調制的克爾盒作為光源，用同一振蕩器調制的光電倍增管作為檢測器測定光速。
現代物理測定方法
光拍頻法
CG-V型光速測定儀
用光電檢測器接收這個拍頻波，即得頻率為拍頻，如果接收電路將直流成分濾掉，即得純粹的拍頻信號在空間的分布。這就是說，處在不同空間位置的光檢測器，在同一時刻有不同位相的光電流輸出，利用比較相位的方法間接測定光速。
光拍頻法測量光速是利用聲光頻移法形成光拍 ，通過遠 、近光路產生光程差，測量光拍頻率和光拍波長，從而間接測定光速的方法。實驗需要測量的數據為拍頻波長。測量時需要注意要對光路非常熟悉，并且充分理解光的反射路線，否則測量誤差較大。當測出拍頻波長后，從數字頻率計讀出高頻信號發(fā)生器的輸出頻率，計算光速。
高精度時間間隔測量
光速的測定可利用v=l/
相關理論
光速不變原理
1905年，愛因斯坦在創(chuàng)立狹義相對論的第一篇論文《論運動物體的電動力學》中提出了光速不變公設：“光在空虛空間里總是以確定的速度v傳播著，這速度同發(fā)射體的運動無關”。愛因斯坦依據邁克爾遜-莫雷實驗，提出光速不變性（ invariance of light speed，ILS）假設，從而在理論上導出洛倫茲變換，建立狹義相對論（special relativity，SR），揭示了時空和物質運動的相對論性。沒有物體的運動速度能夠超過光速。光速是極限，不存在比光速更快的速度。狹義相對論( SR) 賦予光速非常特殊的性質，一是 “光速不變”原理，二是“光速不可超過”原則。
1887 年，因麥克斯韋的建議，邁克爾遜和莫雷開展了一項捕捉以太的實驗。當時的物理理論認為，光的傳播介質是“以太”，由此產生一個問題：地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必然迎面受到每秒30公里的“以太風”，從而必然對光的傳播產生影響。這個問題出現以后，立即引起人們探討“以太風”存在與否。邁克耳孫－莫雷實驗就是在這個基礎上進行的。他們在實驗中沒能發(fā)現以太，卻發(fā)現了一個問題：伽利略速度疊加原理失效了。邁克爾遜-莫雷實驗顯示，光速與地球軌道速度疊加，仍然是光速。為了解釋邁克爾遜-莫雷實驗，菲茲杰拉德提出一個假設：運動物體沿運動方向長度收縮，收縮率為
光速不變原理又稱真空光速極限原理，包含三項內容：光速與光源運動與否無關；光速與頻率大小無關；光速與方向（即接受者的速度）無關?，F有光學實驗確切驗證了以上內容的前兩項，第三項光速與方向無關這點始終未被證實。利用此原理創(chuàng)立了狹義、廣義相對論及超弦理論。光速極限原理是狹義相對論的預言，已被多個實驗證實，是物理學基本原理之一。
光速可變理論
2015年1月，英國 Glasgow 大學的研究團隊經兩年半努力做成功一項實驗，證明光速并非恒定不變，亦即光并不總是以光速傳播，即使在真空條件下也是如此。 研究論文從在預印本網站 arXiv出現到在美國《Science Express》上刊登只經過幾天時間，而且迅即被各國媒體傳播報導。1月22日，D. Giovannini 等的論文發(fā)表在《 Science Express》上。同日，英國廣播公司(BBC)公布了對學術帶頭人 M. Padgett 教授的采訪。 1 月 27 日，中國新聞網發(fā)表一個簡短報道，標題是“英國科學家成功降低真空中光速,或將顛覆 Einstein 理論。”
在天文學中，光行差現象早已證明了光速與方向有關。對3K微波輻射及對射電星系的無線電波進行的觀測均發(fā)現了在地球運動方向有明顯的各向異性。2002 年3月14日出版的《Nature》雜志報道了牛津大學的C.BIake和J.Wa用美國國家天文臺位于新墨西哥州的甚大陣列射電望遠鏡（VLA）觀測了發(fā)出強大電波的遙遠射電星系，觀測結果：他們發(fā)現這些星系發(fā)出的電磁波同樣在地球運動方向上表現出了各向異性，這種各向異性與上述宇宙背景輻射在地球運動方向上的各向異性是相同的。電磁波（即光波）速度隨觀測者（地球）速度的不同而發(fā)生變化。這些天文學實驗確切地證明了光速與方向是有關的，因此光速可變是一個合理的結論。光速可變理論認為光速與接受者密切相關，即觀測者的速度將直接影響接受者所測得的光速：與光同向運行的接受者測得的光速要變小。與光逆向運行的接受者測得的光速將要變大。而相對于絕對坐標系而言光速是不變的。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
