根据现有的科学理论,光在真空中的传播是一种已知的最高速率,称为光速,其具体数值为每秒 299,792,458 米(2.998 × 108 m/s)。这个数值并非任意定义,而是通过严格的科学测量确定的。
在历史上,人们曾普遍认为光速无限,即光线可以瞬间照亮周围环境,让观察者感知到它的存在。伽利略对这一观点提出了质疑,并尝试通过实验测量光速,但他的尝试并未成功。尽管如此,伽利略的质疑对后世的科学研究产生了深远的影响,人们开始意识到光速可能并非无限。
17世纪,奥勒·罗默通过观测木卫一食现象首次证实了光速存在有限上限,并由此计算出光速约为每秒 22万公里。尽管罗默的计算与实际值存在一定的偏差,但他的研究为后续对光速测量的精确化奠定了基础。
随着科学技术的不断发展,物理学家陆续提出了多种测量光速的方法,例如飞行时间法、谐振腔法、激光干涉法等。这些方法极大地提升了光速测量精度,比如通过飞行时间法测得光速约为每秒 29.8万公里,通过谐振腔法测得光速约为每秒 299,792.5公里,通过激光干涉法测得光速约为每秒 299,792,456.2 米。
20世纪 70 年代,光速测量的精度已到达极高的水平,仪器的误差几近于零。有一个因素会影响光速测量的结果,那就是一米的长度定义。
当时,人们使用米原器来定义一米的长度。米原器是一根铂铱合金棒,其长度难以精确测量,并且会随着时间发生变化,导致一米标准长度的不确定性。这意味着光速测量结果也会受到影响。
基于米原器的标准,光速已经测量得相当精确。考虑到光速在物理学中的重要性,以及根据麦克斯韦电磁理论,光速是一个与参考系无关的常数,科学家们决定将光速定义为一个确定的值,并反过来使用光速定义长度单位。
由于光速大小会影响一米标准长度的定义,而许多参数都与一米标准长度相关联,因此光速的设定必须保证一米标准长度不会发生可测量变化,以避免对现有参数造成影响。
科学家通过分析既往的光速测量结果,将光速确定为每秒 299,792,458 米。这意味着光在真空中前进 1/299,792,458 秒的距离即为一米的标准长度。这一改变使米的定义更加精确,同时不会影响现有的参数。而如果将光速定义为每秒 3 亿米,一米的标准长度将出现约 0.07% 的偏差,对与长度相关的参数造成影响。