【刨根问底】光速的数值到底是怎么来的?

问题由来

前一篇文章《静电力常量是怎么得出来的？》得到了读者的热烈讨论，有留言的，有私信的。其中有提到光速是测量值还是定义值的问题，这里专门讲一讲。特别声明一点：这里讲到的光速，都指的是真空中的光速，而非介质中的光速。

测量光速的历史

「1」伽利略灯笼实验

光实在是太快了，以至于人们一直以为光传播是不用时间的。最早提出怀疑并尝试测量光速的，可能是伽利略（1564-1642）吧。伽利略找来两个人和两盏灯笼，让他们分别站在两座相距一英里的山顶上。第一个人举起灯笼时便开始计时，第二个人看到第一个人的灯笼便也立即举起自己的灯笼，当第一个人看到第二个人的灯笼时便停止计时，这样一来二去就可以得到光行进两英里所需要的时间，从而求出光的速度。很可惜，光速太快，伽利略这个方法注定失败。但伽利略还是给我们留下重要的启示：要搞清楚问题，打嘴仗是没用的，做实验吧。

顺便提一下，牛顿（1643-1727）的《光学》居然给出了光速的具体数值（当然并不准确），但并没有查到他是如何得来的。

「2」罗默研究木星卫星的星蚀

罗默（1644-1710）发现地球靠近木星的时候和远离木星的时候，木星的卫星发生星蚀的时间是不一样的，然后他就算出了光的速度。所谓的星蚀，指的是木星的卫星走到木星背后，照不到太阳光的现象。类似的事情发生在月亮，我们就叫月食。罗默计算出的光速大概22万公里每秒，误差大约26%。尽管误差很大，但罗默给我们重要的信息：光速是有限的。

「3」布拉德雷与光行差

尽管罗默让我们知道光速是有限的，但还是不能得到大众认可。如果光速是有限的，布拉德雷（1693－1762）推出因为地球运动（包括自转、公转等），星光到达地球会发生一定的偏转，这就是所谓的光行差。通过观测和推导，他得出光速为298000公里每秒，误差不到1%。布拉德雷让更多人相信光速确实是有限的。

「4」在地面上测量光速

菲佐（1819-1896）用旋转齿轮法首次在地面实验室成功测得光速，他得到的光速为315000公里每秒，误差大约5%。傅科（1819-1868）用旋转齿轮发得到的光速为298000±500公里每秒，误差不到1%。迈克尔逊（1852-1931）改进实验装置，测得光速为299774公里每秒。费罗姆微波干涉仪法测量光速为299792.50±0.10公里每秒，此数值于1957年被推荐为国际推荐值使用，直至1973年。1972年，美工的埃文森等人直接测量激光频率和真空中的波长，按照公式得出光速为299792458±1.2米每秒。1975年第15届国际计量大会确认该数值为国际推荐值。

单位制和光速

如果抛开单位制，光速不会变，但光速的数值却是会改变的。因此，我们讨论光速的数值的时候，必须首先确定单位制。考虑到现在基本上都是使用国际单位制（SI），我们对其他单位制就不加以讨论了。

国际单位制中，单位分成三种：基本单位、导出单位和辅助单位。其中长度（米）、时间（秒）是七个基本单位中的两个，而速度（米每秒）则是导出单位。因此，为了确定光速的数值，就必须首先将米和秒定义好。

秒的定义：铯-133原子在基态下的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的时间。

米的定义：光在真空中在1/299792458秒内的行程年。

有了这样的定义，我们可以说：光速的准确值（定义值）为299792458米每秒。这就意味着，光速的数值不是测量值，而是定义值。

拓展

由于光速的数值是定义值，而不是实验值，真空磁导率的值为，由此可以得到真空介电常数，进一步得到静电力常量。所以，静电力常量不是测量值，是定义值，它就等于