2019年5月20日（世界计量日），国际单位制（SI）进行了自其1960年确立以来最具革命性的改革——七个基本单位的定义全部基于基本物理常数，彻底告别了实物基准的时代。在这一新体系中，真空光速 c c 精确值 ：
c = 299 792 458 m/s c = 299 792 458 m/s
光速不再是需要实验测量的物理量，而是定义的常数 。米（meter）的长度反而由光速导出。这一看似反直觉的关系——用速度来定义长度——是计量学史上最深刻的范式转变之一。
米 ：真空中的光在 1 / 299 792 458 1/299 792 458
这意味着：如果我们能精确测量时间（秒），就能精确复现米的长度。这种"时间定义长度"的范式，是现代计量学的核心思想，其精度链可以追溯到铯原子钟的微波跃迁频率。
这个看似"随意"的数值背后，有着严谨的科学考量和历史延续性。
光速的测量史本身就是一部物理学实证精神的缩影。
年份
测量者
方法
结果 (km/s)
说明
1676
Rømer
木卫食时间差
~214 000 214 000
首次证明光速有限
1728
Bradley
光行差
~301 000 301 000
恒星光行差法
1849
Fizeau
旋转齿轮法
313 000 313 000 首次地面测量
1862
Foucault
旋转反射镜
298 000 ± 500 298 000 ± 500 改进精度
1926
Michelson
旋转多面镜
299 796 ± 4 299 796 ± 4 多面镜法
1950
Essen
微波谐振腔
299 792.5 ± 3.0 299 792.5 ± 3.0 首次高精度电学测量
1972
Evenson 等
激光频率/波长
299 792.4562 ± 0.0011 299 792.4562 ± 0.0011 激光稳频技术
1974
Blaney 等
甲烷稳频激光
299 792.4590 ± 0.0008 299 792.4590 ± 0.0008 精度达 2.7 × 10 − 9 2.7 × 1 0 − 9
1983
—
定义为精确值 299 792.458 299 792.458 彻底锁定
关键转折点 ：1972年，美国NBS（现NIST）的 Evenson 团队首次使用甲烷稳频激光器，将光速测量精度推到了 3.6 × 10 − 9 3.6 × 1 0 − 9 1 1
1983年确定光速定义值时，最精确的测量（Evenson 等人的激光频率测量）给出的结果是 299 792.4562 299 792.4562 ± 0.0011 ± 0.0011 299 792 458 299 792 458
连续性 ：与1960年氪-86定义的米最多只差约 0.001 0.001 0.01 0.01 整数性 ：数值为整数，便于计算和记忆未来兼容 ：取值略高，确保所有先前的测量值都在不确定度范围内
做一个精确的比较：如果使用1990年代的最佳测量值 c = 299 792 458.11 c = 299 792 458.11 0.11 0.11 3.7 × 10 − 10 3.7 × 1 0 − 10 0.11 0.11 0.37 0.37 1 / 100 1/100
版本
定义表述
核心逻辑
1983年
米是光在真空中 1 / 299 792 458 1/299 792 458
用光速定义米（过程描述式）
2019年
米通过固定真空光速 c c 299 792 458 299 792 458 Δ ν Cs Δ ν Cs
固定常数 c c
两者的实际效果完全相同 ，但2019年的表述更符合"定义常数"的统一逻辑——所有基本单位都通过固定常数值来定义，而不是通过描述一个物理过程。这是一种从"单位中心"到"常数中心"的哲学转变。
在2019年SI中，单位之间形成了清晰的层级依赖树。理解这个依赖关系，就能明白为什么光速定义如此重要。
Δν_Cs (铯原子跃迁频率 = 9,192,631,770 Hz)
│
▼
秒 (s) ──────────────────────────────┐
│ │
▼ ▼
c = 299,792,458 m/s ───► 米 (m) h = 6.62607015×10⁻³⁴ ───► 千克 (kg)
│ │
└──────────┬──────────────────────┘
▼
导出单位：N, J, W, V, T, Ω...
基本单位
符号
定义常数
常数数值
依赖链
秒
s
Δ ν Cs Δ ν Cs 9 192 631 770 9 192 631 770 无依赖（根本单位）
米
m
c c 299 792 458 299 792 458 依赖秒
千克
kg
h h 6.626 070 15 × 10 − 34 6.626 070 15 × 1 0 − 34 依赖米和秒
安培
A
e e 1.602 176 634 × 10 − 19 1.602 176 634 × 1 0 − 19 依赖秒
开尔文
K
k k 1.380 649 × 10 − 23 1.380 649 × 1 0 − 23 依赖千克、米、秒
摩尔
mol
N A N A 6.022 140 76 × 10 23 6.022 140 76 × 1 0 23 − 1 − 1 依赖千克
坎德拉
cd
K cd K cd 683 683 依赖千克、米、秒
可见，秒是所有单位的共同根基 ，而米和秒则共同支撑了质量、温度和发光强度的定义。这意味着：如果你能精确测量时间，你就能间接定义所有其他单位。
定义是一回事，在实验室中"复现"一米则完全是另一回事。复现（realization）是指通过实验装置，以定义规定的精度重建单位的物理实现。
最简单的思路——根据 d = c ⋅ t d = c ⋅ t
示例 ：如果激光脉冲往返 1 米距离，时间约为：
t = 2 × 1 m 3 × 10 8 m/s ≈ 6.67 × 10 − 9 s = 6.67 ns t = 3 × 1 0 8 m/s 2 × 1 m ≈ 6.67 × 1 0 − 9 s = 6.67 ns
精度分析 ：
现代皮秒级计时器分辨率约 10 − 13 1 0 − 13
对应长度分辨率：Δ d = c ⋅ Δ t = 3 × 10 8 × 10 − 13 = 3 × 10 − 5 Δ d = c ⋅ Δ t = 3 × 1 0 8 × 1 0 − 13 = 3 × 1 0 − 5
相对精度：3 × 10 − 5 3 × 1 0 − 5 3 × 10 − 5 3 × 1 0 − 5
局限 ：在1米量级，30 μm 的分辨率对工程应用不错，但远不能满足精密计量（如半导体光刻需要 nm 级精度）。改进方向 ：飞行时间法更适合长距离测量，如卫星激光测距（SLR）中，测量 20,000 km 距离时精度可达 cm 级。
更精确的方法是通过光波长来测量长度 。由于光速固定，频率 f f λ λ
c = f ⋅ λ ⇒ λ = c f c = f ⋅ λ ⇒ λ = f c
工作流程 ：
将激光频率锁定到原子/分子跃迁线（如碘分子、甲烷）
通过频率梳将激光频率溯源到铯原子钟
已知频率后，通过 c / f c / f
使用 Michelson 干涉仪，移动反射镜计数干涉条纹
数值示例 ：使用碘稳频 He-Ne 激光器（最常用的波长标准）
频率：f = 473 612 214 705 f = 473 612 214 705
波长：λ = 299 792 458 473 612 214 705 × 10 3 ≈ 632.991 212 58 λ = 473 612 214 705 × 1 0 3 299 792 458 ≈ 632.991 212 58
Michelson 干涉仪中，反射镜移动 λ / 2 λ /2
移动距离 d = N ⋅ λ 2 d = N ⋅ 2 λ
示例计算 ：
要测量 1 米：需要计数 N = 1 / ( 632.99121258 × 10 − 9 / 2 ) ≈ 3 , 159 , 657 N = 1/ ( 632.99121258 × 1 0 − 9 /2 ) ≈ 3 , 159 , 657
如果计数误差为 ± 1 ± 1 ± 0.316 ± 0.316 3.16 × 10 − 7 3.16 × 1 0 − 7
实际上，使用相位细分技术，条纹计数可以细分到 1 / 1000 1/1000
2005年诺贝尔物理学奖授予 John L. Hall 和 Theodor W. Hänsch，表彰他们在光学频率梳 （optical frequency comb）领域的开创性贡献。频率梳被广泛认为是20世纪末光学计量学最重要的发明。
工作原理 ：
锁模飞秒激光器产生等间距的频率梳齿（成千上万根梳齿覆盖整个光谱范围）
梳齿间距等于重复频率 f rep f rep
通过自参考技术（self-referencing）锁定偏移频率 f CEO f CEO
第 n n f n = n ⋅ f rep + f CEO f n = n ⋅ f rep + f CEO
待测激光与最近的梳齿拍频，即可精确测量其频率
数值示例 ：
设 f rep = 100 000 000 f rep = 100 000 000
偏移 f CEO = 20 000 000 f CEO = 20 000 000
第 3 000 000 3 000 000 f = 3 000 000 × 100 000 000 + 20 000 000 f = 3 000 000 × 100 000 000 + 20 000 000
f = 300 000 000 020 000 f = 300 000 000 020 000 对应波长：λ = c f = 299 792 458 300 000 020 × 10 9 ≈ 999.307 λ = f c = 300 000 020 × 1 0 9 299 792 458 ≈ 999.307
精度对比 ：
方法
典型精度
适用场景
激光飞行时间法
10 − 5 1 0 − 5 ∼ ∼ 建筑测量、LIDAR
干涉条纹计数法
10 − 7 1 0 − 7 10 − 8 1 0 − 8 ∼ ∼ 精密机械加工
频率梳+干涉法
10 − 11 1 0 − 11 10 − 12 1 0 − 12 ∼ ∼ 原子钟、量子计算、LIGO
频率梳的出现，使得米的复现精度从 10 − 10 1 0 − 10 10 − 12 1 0 − 12
SI定义的核心优势之一：定义与复现方法分离 。
graph TD
A[SI 定义: c = 299,792,458 m/s] --> B[米的定义]
B --> C1[飞行时间法]
B --> C2[光学干涉法]
B --> C3[频率梳法]
B --> C4[未来新方法]
C1 --> D[统一的结果]
C2 --> D
C3 --> D
C4 --> D
无论使用哪种复现方法，只要严格遵循SI定义，任何实验室在任何时间、任何地点复现的"一米"都应完全相等。这与旧时代依赖米原器（铂铱合金棒）的体制形成了鲜明对比——米原器会因环境、腐蚀、材料老化而变化，而光速不会。
光速成为定义常数后，一些传统上被认为是"精确值"的常数发生了根本性变化。
在经典电磁学中，光速、真空磁导率和真空介电常数通过麦克斯韦方程组紧密关联：
c = 1 μ 0 ε 0 c = μ 0 ε 0 1
常数
符号
2019年前状态
2019年后状态
真空光速
c c 定义值（1983年以来）
定义值（不变）
真空磁导率
μ 0 μ 0 精确值 4 π × 10 − 7 4 π × 1 0 − 7 实验测量值 （有不确定度）
真空介电常数
ε 0 ε 0 导出值（由 μ 0 μ 0 c c
实验测量值 （有不确定度）
特征阻抗
Z 0 = μ 0 c Z 0 = μ 0 c 精确值 120 π Ω 120 π Ω 实验测量值 （有不确定度）
精细结构常数
α α 实验测量值
实验测量值（不变）
数值示例 ：2019年后 μ 0 μ 0
μ 0 = 4 π × 1.000 000 000 087 × 10 − 7 H/m μ 0 = 4 π × 1.000 000 000 087 × 1 0 − 7 H/m
相对标准不确定度：
u r ( μ 0 ) = 2.3 × 10 − 10 u r ( μ 0 ) = 2.3 × 1 0 − 10
这意味着 μ 0 μ 0 4 π × 10 − 7 4 π × 1 0 − 7 4 π × 10 − 7 4 π × 1 0 − 7
精细结构常数是量子电动力学中最重要的无量纲常数之一，描述电磁相互作用的强度：
α = e 2 4 π ε 0 ℏ c = e 2 μ 0 c 2 h α = 4 π ε 0 ℏ c e 2 = 2 h e 2 μ 0 c
2019年后，e e c c α α μ 0 μ 0
u r ( α ) = u r ( μ 0 ) = 2.3 × 10 − 10 u r ( α ) = u r ( μ 0 ) = 2.3 × 1 0 − 10
目前 α − 1 α − 1
α − 1 = 137.035 999 084 ( 21 ) α − 1 = 137.035 999 084 ( 21 )
这个精度相当于：我们可以在整栋大楼的高度上识别出一个原子尺度的差异。α α
常数
符号
2019年前
2019年后
相对变化
真空磁导率
μ 0 μ 0 4 π × 10 − 7 4 π × 1 0 − 7 4 π × 10 − 7 × ( 1 ± 2.3 × 10 − 10 ) 4 π × 1 0 − 7 × ( 1 ± 2.3 × 1 0 − 10 ) 微小不确定度
真空介电常数
ε 0 ε 0 1 / ( μ 0 c 2 ) 1/ ( μ 0 c 2 ) 1 / ( μ 0 c 2 ) 1/ ( μ 0 c 2 ) 无变化
特征阻抗
Z 0 Z 0 120 π Ω 120 π Ω 120 π × ( 1 ± 2.3 × 10 − 10 ) Ω 120 π × ( 1 ± 2.3 × 1 0 − 10 ) Ω 微小不确定度
看似抽象的单位定义，对科技发展有深远影响：
彻底的稳定性 ：光速是自然界的常数，不随时间、空间变化。相比之下，米原器会腐蚀、质量会变化（100年减少约50 μg）；原子波长受压力、温度、电磁场影响。基本常数是最可靠的计量基准 。
全球统一 ：任何实验室只要有铯原子钟和频率梳，就可以独立复现米的定义，不需要定期去法国巴黎比对实物基准。这使国际长度标准的一致性从 10 − 7 1 0 − 7 10 − 12 1 0 − 12
精度持续提升 ：秒的定义精度（通过原子钟）每年都在以摩尔定律类似的速度提升。如果米定义固定在某个物体上，精度就只能止步于该物体本身的稳定性。而现在的体系下，秒精度的每一点提升都会自动转化为长度精度的提升。
GPS 定位系统 （最广泛的日常应用）：
GPS 卫星搭载铯原子钟，时间精度约 10 − 13 1 0 − 13
光速 c = 299 792 458 c = 299 792 458
时间误差 10 − 13 1 0 − 13 Δ d = 3 × 10 8 × 10 − 13 = 3 × 10 − 5 Δ d = 3 × 1 0 8 × 1 0 − 13 = 3 × 1 0 − 5
这就是 GPS 能实现厘米级定位的物理基础。如果光速不是精确定义值，定位精度将受限于光速的不确定度
5G/6G 通信 ：
5G 毫米波频率约 28 GHz
波长 λ = c / f = 0.0107 λ = c / f = 0.0107
天线阵列的设计依赖精确的波长值。波束赋形（beamforming）要求每根天线的相位控制精度达到 λ / 10 λ /10
精确的光速定义确保了全球通信设备的一致性
引力波探测（LIGO） ：
LIGO 的干涉臂长 4 km，使用频率稳定的激光
可探测到 10 − 18 1 0 − 18
这个精度依赖于光速精确值将时间测量转化为长度测量
2015年首次探测到引力波时，臂长相对变化 h ≈ 10 − 21 h ≈ 1 0 − 21 4 × 10 − 18 4 × 1 0 − 18
半导体光刻 ：
EUV 光刻机（7nm/5nm工艺）使用 13.5 nm 波长的极紫外光
光刻过程中，晶圆台定位精度需要达到 ∼ 0.1 ∼ 0.1
这种精度的干涉测量系统直接依赖于光速定义值将频率转化为波长
固定光速使得时间标准直接决定了长度标准 ：
δ d = c ⋅ δ t δ d = c ⋅ δ t
现代光学原子钟（如锶原子钟、镱原子钟）的精度已达 10 − 18 1 0 − 18
δ d = 3 × 10 8 × 10 − 18 = 3 × 10 − 10 m = 0.3 nm δ d = 3 × 1 0 8 × 1 0 − 18 = 3 × 1 0 − 10 m = 0.3 nm
这个精度意味着：在地球到月球的距离（3.8 × 10 8 3.8 × 1 0 8 10 − 20 1 0 − 20 10 − 12 1 0 − 12
根据中国国家计量院（NIM）发布的官方中文定义：
米 ，符号 m，SI 长度单位。当真空中光速 c c 299 792 458 299 792 458 Δ ν Cs Δ ν Cs
The metre , symbol m, is the SI unit of length. It is defined by taking the fixed numerical value of the speed of light in vacuum c c 299 792 458 299 792 458 − 1 − 1 Δ ν Cs Δ ν Cs
秒 ，符号 s，SI 时间单位。当铯频率 Δ ν Cs Δ ν Cs − 1 − 1 9 192 631 770 9 192 631 770
事实 ：自1983年起，光速就是定义值 ，不是测量值。你不可能"测出"光速是 299 792 458 299 792 458 c c
事实 ：c c 不会变化 。如果有人声称观测到了光速变化（如某些宇宙学理论），实际的表述应该是："如果光速在宇宙早期不同，那么在SI框架下，表现为早期宇宙中米和秒的关系发生了变化，而非 c c
事实 ：准确值为 299 792 458 299 792 458 3 × 10 8 3 × 1 0 8 0.07 % 0.07%
真值：299 792 458 299 792 458
近似值：300 000 000 300 000 000
相对误差：0.07 % 0.07%
事实 ：这是1983-2019年间米的定义。2019年后，米的定义改为"取 c c 299 792 458 299 792 458
事实 ：知道光速的数值（c = 299 792 458 c = 299 792 458 Δ ν Cs Δ ν Cs
当前秒基于铯-133原子的微波跃迁频率，未来可能改用光学原子钟。光学原子钟（如锶-87 或 镱-171）工作在光学频段（10 14 1 0 14 10 15 1 0 15 9.2 × 10 9 9.2 × 1 0 9 10 4 1 0 4
原子钟类型
工作频率
当前精度
预期精度
铯微波钟（当前秒定义）
9.2 9.2 1 × 10 − 16 1 × 1 0 − 16 —
锶光学钟
429 429 2 × 10 − 18 2 × 1 0 − 18 1 × 10 − 20 1 × 1 0 − 20
镱光学钟
518 518 1 × 10 − 18 1 × 1 0 − 18 1 × 10 − 21 1 × 1 0 − 21
注意 ：秒的重新定义不会影响米的定义（因为米的定义已经独立于秒的具体实现），但米的复现精度会随之自动提升。
一些宇宙学理论（如 VSL——Varying Speed of Light 理论，由 João Magueijo 和 John Moffat 等人提出）假设早期宇宙中光速可能比现在快 10 32 1 0 32
需要理解：这些理论讨论的是宇宙学尺度上有效光速的可能变化，不改变SI框架中 c c 。SI中的 c c
未来可能直接在量子层面定义长度单位：
单个光子与原子之间的相互作用长度
量子纠缠态的关联长度
原子晶格常数作为天然长度标准
这些方法不需要引入"光速"作为中间桥梁，可以直接将长度与量子力学的基本过程挂钩，可能实现更根本、更精确的长度定义。
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Quinn, T. The redefinition of the SI . Physics Today, 72(6), 2019. doi:10.1063/PT.3.4219
Evenson, K.M. et al. Speed of light from direct frequency and wavelength measurements of the methane-stabilized laser . Physical Review Letters, 29(19), 1972. doi:10.1103/PhysRevLett.29.1346
Hänsch, T.W. Nobel Lecture: Passion for precision . Reviews of Modern Physics, 78(4), 2006. doi:10.1103/RevModPhys.78.1297
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CODATA. The 2018 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants . NIST, 2019. https://physics.nist.gov/cuu/Constants/
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