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话题 01 / 04 · 光速的数值与测量史

一个精确定义的数字

这个数值没有任何误差，也不会被未来的实验修订——因为它不再是一次测量的结果。1983 年，国际计量大会重新定义了米：米是光在真空中于 1/299,792,458 秒内行进的距离。从那一刻起，光速成了一个定义值，而米成了由 c 和秒导出的单位。

换句话说，方向反转了：过去我们用尺子去量光跑多快，如今我们用光来定义尺子有多长。299,792,458 这个整数之所以精确，不是测量技术的胜利，而是单位制的选择。

宇宙的速度极限

光跑完地月距离约需 1.3 秒，跑完日地距离约需 8 分 20 秒——我们看到的永远是宇宙的过去。而 c 之所以被称为「极限速度」，是因为任何有质量的物体都无法被加速到这个速度：越接近 c，继续加速所需的能量越大，直至无穷。

这个极限不是光的专利，而是因果的边界。它规定了信息传播的最快速度，也划定了过去与未来之间不可逾越的界线。

三百年的测量史

在光速成为定义值之前，人类用了三个多世纪去逼近它。每一次技术进步，都把不确定度压低一个数量级。

• 约 1638

  伽利略：山顶灯笼实验两人各持遮挡的灯笼站在相距约一英里的山顶，约定一方开灯后另一方见光立刻开灯，试图以此计时。光走过这段距离只需约 5 微秒，而人的反应时间约 0.2 秒——相差四万倍。伽利略只得出「光快得惊人」的结论。

• 1676

  罗默：木卫一食罗默发现木卫一的掩食时刻会随地球远离或靠近木星而推迟或提前——那是光跨越地球轨道额外花掉的时间。他由此首次证明光速有限；其数据经惠更斯等换算，约合 22 万 km/s，约为真值的 73%。

• 1728

  布拉德雷：光行差观测恒星视位置因地球公转而画出的小椭圆（光行差角约 20.5 角秒），如同雨中行走时雨点似乎斜落而下。由此独立算得光速约 30.1 万 km/s。

• 1849

  斐索：旋转齿轮法光穿过高速旋转齿轮的齿缝射向 8.6 km 外的反射镜；转速恰好让回程光被下一个齿挡住时，由转速与距离算出光速。首个成功的实验室测量：约 31.5 万 km/s。

• 1850 / 1862

  傅科：旋转镜法用高速旋转镜替代齿轮，基线缩到 20 米也能测量，并首次证明光在水中比在空气中慢。1862 年测得约 29.8 万 km/s，已相当接近现代值。

• 1926

  迈克尔逊：旋转镜精测迈克尔逊把旋转镜实验搬到威尔逊山与圣安东尼奥山之间约 35 km 的真空基线上，测得 299,796 ± 4 km/s——在他之前与之后，他毕生都在打磨这个数字。

• 1970 年代

  激光干涉与原子钟稳频激光配合铯原子钟，把测量不确定度压到十亿分之几——测量精度已逼近米原器自身定义的不确定度，继续「测」下去已经没有意义。

• 1983

  米的新定义国际计量大会将米定义为光在 1/299,792,458 秒内走过的距离。测量史就此终结：c 从此是定义值，精确无误。

斐索的齿轮：把光速关进齿轮里

斐索实验是光速第一次「走进实验室」。原理朴素得优雅：让光透过齿轮齿缝飞出去，经远处反射镜折返；若齿轮转得恰好够快，回程光就会被下一个齿挡住。知道转速、齿数和往返距离，光速便无处遁形。

「米」的定义由 1983 年第 17 届国际计量大会（CGPM）通过；本页面中历史测量数值为文献中的近似结果，不同文献略有出入。

下一个话题：我们对光速测得再准，也绕不开一个更深的问题——这个速度，是相对于谁的？ 阅读话题 02 · 光速不变原理 →