相關(guān)性質(zhì)1．光速的絕對(duì)性：光速是極限速度，以光速運(yùn)動(dòng)的粒子的引力質(zhì)量為0[10] 2．光速是一種標(biāo)量速度，在各個(gè)方向上大小相等[10] 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[11][10] 4．光速的不變性：對(duì)于同一個(gè)參照系，光速值為常數(shù)，與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方向無關(guān)[10] 不同介質(zhì)光的波長(zhǎng)  不同介質(zhì)中光速的計(jì)算方法：令     若介質(zhì)的折射率隨光波頻率變化很大，群速度就會(huì)變得很小。所以，在小頻率范圍內(nèi)介質(zhì)的折射率發(fā)生急劇變化是實(shí)現(xiàn)光速減慢的關(guān)鍵。[13] 機(jī)制原理一般的牛頓第二定律是：當(dāng)力F作用于質(zhì)量為m的物體上時(shí)，所產(chǎn)生的動(dòng)量mv的變化率等于這個(gè)力，即F＝  m=  其中c是光速，m0是粒子的靜止質(zhì)量。設(shè)M＝m-m0是粒子質(zhì)量的增量，則其能量的相應(yīng)增量E為粒子所受力F對(duì)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(jiān)信光不會(huì)移動(dòng)，只存在出現(xiàn)與否的差異，這一觀點(diǎn)得到當(dāng)時(shí)許多人的支持。古希臘人認(rèn)為，視覺對(duì)于光傳播的感知是從眼球指向被觀測(cè)物體的。但是亞歷山大的海倫（Heronof Alexandria）認(rèn)為：若當(dāng)真如此，那么光的傳播必然是瞬時(shí)的，否則當(dāng)我們睜開眼睛時(shí)，又如何能瞬間看到遠(yuǎn)方的星體。伊斯蘭學(xué)者阿爾哈曾（Alhazen）著有《光學(xué)寶鑒》（Book of Optics），他認(rèn)為光是從相反方向傳播而來，是從被觀察物體傳播到觀測(cè)者眼中的。[15] 意大利物理學(xué)家伽利略認(rèn)為，只要光的傳播需要時(shí)間，人類就能測(cè)算出光速。1607年，36歲的伽利略進(jìn)行了世界上第一個(gè)測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)。[16]他提出通過計(jì)量光信號(hào)傳播時(shí)間來計(jì)算光速的方法：一人帶著時(shí)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(shí)開始計(jì)時(shí)，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(shí)，停止計(jì)時(shí)。為了使光傳播距離較遠(yuǎn)，測(cè)定誤差較小，他讓兩個(gè)人分別站在兩座山上。[17]由于伽利略測(cè)量光速所用的距離過短，不足以精確測(cè)量出光線傳播時(shí)長(zhǎng)，所以實(shí)驗(yàn)以失敗告終。法國數(shù)學(xué)家笛卡爾對(duì)此實(shí)驗(yàn)做了進(jìn)一步改良，他認(rèn)為：若光線從太陽或月球傳播到地球需要時(shí)間，那月食等現(xiàn)象真實(shí)發(fā)生的時(shí)刻就會(huì)和人類的預(yù)測(cè)存在差別。但經(jīng)過多次觀測(cè)，仍未發(fā)現(xiàn)任何時(shí)滯。事實(shí)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(shí)間十分短暫，當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)器材不足以觀測(cè)出來。[15] 1676年，丹麥天文學(xué)家奧勒·羅默（OIaus Roemer）第一次提出了有效的光速測(cè)量方法并成功運(yùn)用“木星衛(wèi)星法”計(jì)算出了光速。他在巴黎對(duì)木星的一個(gè)衛(wèi)星木衛(wèi)一的掩星研究觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：它的掩星發(fā)生時(shí)間與預(yù)期時(shí)間不符。地球靠近木星時(shí)，掩星早11分鐘；地球距木星較遠(yuǎn)時(shí)，掩星晚11分鐘。并且在地球處于太陽和木星之間時(shí)的周期與太陽處于地球和木星之間時(shí)的周期相差十四、五天。他認(rèn)為這種現(xiàn)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(shí)間為22分鐘。1676年9月，羅默預(yù)言預(yù)計(jì)11月9日上午5點(diǎn)25分45秒發(fā)生的木衛(wèi)食將推遲10分鐘。觀測(cè)最終證實(shí)了羅默的預(yù)言。結(jié)合木星距離，羅默估算出光速約為2.1 1725年，英國天文學(xué)家詹姆斯?布拉德雷（James Bradley）發(fā)現(xiàn)了恒星的“光行差”現(xiàn)象，以意外的方式證實(shí)了羅默的理論。一開始，他無法解釋他觀測(cè)到的這一現(xiàn)象，直到1728年，他在坐船時(shí)受到風(fēng)向與船航向相對(duì)關(guān)系的啟發(fā)，認(rèn)識(shí)到光的傳播速度與地球公轉(zhuǎn)速度共同引起了“光行差”的現(xiàn)象。他用地球公轉(zhuǎn)的速度與光速的比例估算出了太陽光到達(dá)地球需要8分13秒。布拉德雷測(cè)定值證明了羅默的光速有限性的說法。[16] 1849年9月，法國人斐索（A.H.Fizeau）用旋轉(zhuǎn)齒輪法測(cè)得光速為3.153 1928年，美國物理學(xué)家阿爾伯特?邁克爾遜為了測(cè)定出誤差在0.001%以內(nèi)，精確程度滿足最基本的核物理運(yùn)算的光速值，已經(jīng)在過去50多年內(nèi)設(shè)計(jì)了12次實(shí)驗(yàn)。他發(fā)明了6臺(tái)精密裝置，最終準(zhǔn)確地測(cè)定出光速。并因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。邁克爾遜用一個(gè)能夠恒速旋轉(zhuǎn)的引擎驅(qū)動(dòng)八邊形棱鏡高速旋轉(zhuǎn)，他向棱鏡照射光線，在鏡子旋轉(zhuǎn)到某點(diǎn)時(shí)，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(zhuǎn)的鏡子只用遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于1秒的時(shí)間就能夠把光線反射回曲面鏡上，然后又繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。曲面鏡從棱鏡的每面都會(huì)收到短光脈沖。每個(gè)光脈沖經(jīng)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(jīng)過第二個(gè)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(zhuǎn)鏡上。每個(gè)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(huì)投射到柵屋墻上的一個(gè)點(diǎn)。通過從棱鏡與這一點(diǎn)的角度，邁克爾遜可以計(jì)算出光脈沖完成44英里往返路程，鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并以此計(jì)算出光速。邁克爾遜計(jì)算出光速是2.997950377 20 世紀(jì)初，兩位科學(xué)家從理論上推算出光速的數(shù)值。1906 年，羅薩（E.B.Rosa）和竇賽（N.E.Dorsey）發(fā)表了一個(gè)準(zhǔn)確的光速值：299784±15 km/s。這個(gè)數(shù)值是他們通過測(cè)量?jī)深愲妴挝恢?，即絕對(duì)靜電單位(esu)中的電荷與絕對(duì)電磁單位(emu)的同一電荷之比獲得的。1941年，伯奇(R.T.Birge)評(píng)論此實(shí)驗(yàn)為“整個(gè)科學(xué)史上精密研究中完成的最美的實(shí)驗(yàn)之一” 。二人測(cè)量的光速值處于當(dāng)時(shí)光速測(cè)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(cè)定光速。1934年，谷瑞·德布雷（Cheury de Brayza）發(fā)表了有關(guān)光速的文章，其中列出了他們幾年間光速的測(cè)量結(jié)果：1924年的結(jié)果為2.99802 20世紀(jì)50年代流行用微波法測(cè)定光速，1958年有一個(gè)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(jì)量局（BIPM）米定義咨詢委員會(huì)決定以高精度光頻測(cè)量和高精度光波長(zhǎng)為基礎(chǔ)：取激光波長(zhǎng) 但光速還定義著比長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)的速度，還是連接時(shí)間與空間的基本常數(shù)，不過，一直與相對(duì)論有沖突的量子理論是允許物質(zhì)以大于光速的速度運(yùn)動(dòng)的。在20世紀(jì)20年代，量子論顯示一個(gè)系統(tǒng)相隔遙遠(yuǎn)的不同組成部分能夠瞬時(shí)聯(lián)系。1993年，加利福尼亞大學(xué)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(xué)家維納·海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理表明：在一個(gè)系統(tǒng)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(gè)區(qū)間內(nèi)，因此量子物理學(xué)原理允許系統(tǒng)利用這種不確定性，短時(shí)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(xiàn)的需要幾乎可以忽略不計(jì)。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(huì)等于0（如若這樣，海森堡原理就會(huì)被反對(duì)）。Chiao通過測(cè)量可見光光子通過特定過濾器的隧穿時(shí)間，證明了隧穿“超光速”的隧穿效應(yīng)存在。為此，他讓這些光子與在相似時(shí)間內(nèi)穿過真空的光子進(jìn)行比較。結(jié)果隧穿光子先到達(dá)探測(cè)器，Chiao證明它們穿越過濾器的速度可能為光速的1.7倍。[29]2008年8月，《Nature》雜志上，瑞士的塞拉特等5位科學(xué)家公布了他們的一項(xiàng)最新研究成果：量子信息傳輸速度遠(yuǎn)超光速。瑞士科學(xué)家對(duì)相互糾纏的光子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)其中一個(gè)光子的分析，科學(xué)家可以預(yù)測(cè)另一光子的特征。在實(shí)驗(yàn)中，任何隱藏信號(hào)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(cè)任何未知信號(hào)的傳輸速率至少是光速的1萬倍。[30] 測(cè)定方法經(jīng)典物理測(cè)定方法旋轉(zhuǎn)棱鏡法旋轉(zhuǎn)棱鏡法 棱鏡不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只有八棱鏡的某一面恰好與人射光線成45度角時(shí)，光線能被反射至遠(yuǎn)方的反射裝置，反射回來的光線經(jīng)另一面反射進(jìn)入觀察者眼睛，觀察者能看到光源的像。棱鏡以較小的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光線經(jīng)1號(hào)面和反射裝置反射后到達(dá)棱鏡時(shí)，3號(hào)面已經(jīng)不再與光線成45度角，光線無法進(jìn)入觀察者眼睛，觀察不到光源的像。若緩慢提高棱鏡轉(zhuǎn)速，當(dāng)光線反射回棱鏡時(shí)，棱鏡剛好轉(zhuǎn)過1/8轉(zhuǎn)，即2號(hào)面轉(zhuǎn)至原3號(hào)面所在位置，則光線又可以進(jìn)入觀察者眼睛，重新看到光源的像。[18] 棱鏡轉(zhuǎn)速只有在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近極小的范圍內(nèi)可以看到光源的像，其他轉(zhuǎn)速下均觀察不到光源的像。在此實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象稍縱即逝，很難被觀察到。一旦被觀察到，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速會(huì)比較精確，測(cè)量結(jié)果精度較高。[18] 旋轉(zhuǎn)齒輪法旋轉(zhuǎn)齒輪法 實(shí)驗(yàn)中選用齒寬和齒間縫寬相等的齒輪，當(dāng)齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(shí)，具有一定的延時(shí)，返回的光線被齒輪部分遮擋，若進(jìn)一步提高齒輪轉(zhuǎn)速，則齒輪透光時(shí)間和擋光時(shí)間均減小，反射光線中被遮擋的比例增大。當(dāng)其減小到剛好等于光線反射延時(shí)，反射光線剛好全部被遮擋，觀察者剛好看不到光源的像。[18] 齒輪轉(zhuǎn)速在接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速的過程中，看到光源的像逐漸變暗，轉(zhuǎn)速超過目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，像又逐漸變亮。在此實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象容易被觀察到。但在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近，像的亮度小到觀察者無法識(shí)別時(shí)會(huì)和目標(biāo)狀態(tài)混為一體，于是目標(biāo)轉(zhuǎn)速的不確定度便增大了，降低了實(shí)驗(yàn)精度。[18] 近代物理測(cè)定方法微波諧振腔法1950 年，埃森（Essen）提出用空腔共振法來測(cè)量光速。原理是：微波通過空腔時(shí)，根據(jù)空腔的長(zhǎng)度可以求出諧振腔的波長(zhǎng)，把諧振腔的波長(zhǎng)換算成光在真空中的波長(zhǎng)，由波長(zhǎng)和頻率的乘積可計(jì)算出真空中光速。在實(shí)驗(yàn)中，將微波輸入到圓柱形的諧振腔中，當(dāng)微波波長(zhǎng)和諧振腔的幾何尺寸匹配時(shí)，諧振腔的圓周長(zhǎng) 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(cè)定了真空中光速值。通過微波干涉儀測(cè)定波長(zhǎng)和頻率計(jì)算出光速。[24] 光電測(cè)距儀法用光在被測(cè)基線(約10km)內(nèi)的飛行時(shí)間測(cè)定，是伽利略試驗(yàn)的發(fā)展。1949年至1957年，瑞典的貝奇斯傳德采用了光電測(cè)距儀的方法，他用經(jīng)過調(diào)制的克爾盒作為光源，用同一振蕩器調(diào)制的光電倍增管作為檢測(cè)器測(cè)定光速。[16] 現(xiàn)代物理測(cè)定方法光拍頻法CG-V型光速測(cè)定儀 用光電檢測(cè)器接收這個(gè)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(hào)在空間的分布。這就是說，處在不同空間位置的光檢測(cè)器，在同一時(shí)刻有不同位相的光電流輸出，利用比較相位的方法間接測(cè)定光速。[32] 光拍頻法測(cè)量光速是利用聲光頻移法形成光拍 ，通過遠(yuǎn) 、近光路產(chǎn)生光程差，測(cè)量光拍頻率和光拍波長(zhǎng)，從而間接測(cè)定光速的方法。實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)為拍頻波長(zhǎng)。測(cè)量時(shí)需要注意要對(duì)光路非常熟悉，并且充分理解光的反射路線，否則測(cè)量誤差較大。當(dāng)測(cè)出拍頻波長(zhǎng)后，從數(shù)字頻率計(jì)讀出高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，計(jì)算光速。[33][34] 高精度時(shí)間間隔測(cè)量光速的測(cè)定可利用v=l/ 相關(guān)理論光速不變?cè)?/span>1905年，愛因斯坦在創(chuàng)立狹義相對(duì)論的第一篇論文《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》中提出了光速不變公設(shè)：“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(yùn)動(dòng)無關(guān)”。愛因斯坦依據(jù)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，提出光速不變性（ invariance of light speed，ILS）假設(shè)，從而在理論上導(dǎo)出洛倫茲變換，建立狹義相對(duì)論（special relativity，SR），揭示了時(shí)空和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論性。沒有物體的運(yùn)動(dòng)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(duì)論( SR) 賦予光速非常特殊的性質(zhì)，一是 “光速不變”原理，二是“光速不可超過”原則。[36][37][1][38] 1887 年，因麥克斯韋的建議，邁克爾遜和莫雷開展了一項(xiàng)捕捉以太的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)的物理理論認(rèn)為，光的傳播介質(zhì)是“以太”，由此產(chǎn)生一個(gè)問題：地球以每秒30公里的速度繞太陽運(yùn)動(dòng)，就必然迎面受到每秒30公里的“以太風(fēng)”，從而必然對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。這個(gè)問題出現(xiàn)以后，立即引起人們探討“以太風(fēng)”存在與否。邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中沒能發(fā)現(xiàn)以太，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題：伽利略速度疊加原理失效了。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，菲茲杰拉德提出一個(gè)假設(shè)：運(yùn)動(dòng)物體沿運(yùn)動(dòng)方向長(zhǎng)度收縮，收縮率為 光速不變?cè)碛址Q真空光速極限原理，包含三項(xiàng)內(nèi)容：光速與光源運(yùn)動(dòng)與否無關(guān)；光速與頻率大小無關(guān)；光速與方向（即接受者的速度）無關(guān)。現(xiàn)有光學(xué)實(shí)驗(yàn)確切驗(yàn)證了以上內(nèi)容的前兩項(xiàng)，第三項(xiàng)光速與方向無關(guān)這點(diǎn)始終未被證實(shí)。利用此原理創(chuàng)立了狹義、廣義相對(duì)論及超弦理論。光速極限原理是狹義相對(duì)論的預(yù)言，已被多個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，是物理學(xué)基本原理之一。[2][39] 光速可變理論2015年1月，英國 Glasgow 大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)兩年半努力做成功一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，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(yù)印本網(wǎng)站 arXiv出現(xiàn)到在美國《Science Express》上刊登只經(jīng)過幾天時(shí)間，而且迅即被各國媒體傳播報(bào)導(dǎo)。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(duì)學(xué)術(shù)帶頭人 M. Padgett 教授的采訪。 1 月 27 日，中國新聞網(wǎng)發(fā)表一個(gè)簡(jiǎn)短報(bào)道，標(biāo)題是“英國科學(xué)家成功降低真空中光速,或?qū)㈩嵏?Einstein 理論。”[1] 在天文學(xué)中，光行差現(xiàn)象早已證明了光速與方向有關(guān)。對(duì)3K微波輻射及對(duì)射電星系的無線電波進(jìn)行的觀測(cè)均發(fā)現(xiàn)了在地球運(yùn)動(dòng)方向有明顯的各向異性。2002 年3月14日出版的《Nature》雜志報(bào)道了牛津大學(xué)的C.BIake和J.Wa用美國國家天文臺(tái)位于新墨西哥州的甚大陣列射電望遠(yuǎn)鏡（VLA）觀測(cè)了發(fā)出強(qiáng)大電波的遙遠(yuǎn)射電星系，觀測(cè)結(jié)果：他們發(fā)現(xiàn)這些星系發(fā)出的電磁波同樣在地球運(yùn)動(dòng)方向上表現(xiàn)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(yùn)動(dòng)方向上的各向異性是相同的。電磁波（即光波）速度隨觀測(cè)者（地球）速度的不同而發(fā)生變化。這些天文學(xué)實(shí)驗(yàn)確切地證明了光速與方向是有關(guān)的，因此光速可變是一個(gè)合理的結(jié)論。光速可變理論認(rèn)為光速與接受者密切相關(guān)，即觀測(cè)者的速度將直接影響接受者所測(cè)得的光速：與光同向運(yùn)行的接受者測(cè)得的光速要變小。與光逆向運(yùn)行的接受者測(cè)得的光速將要變大。而相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系而言光速是不變的。[2][41][42]
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