Chris Oates, fizyk z działu czasu i Częstotliwości Narodowego Instytutu Norm i technologii (NIST), wyjaśnia.

pomimo różnic między światłem a dźwiękiem, te same dwie podstawowe metody zostały wykorzystane w większości pomiarów ich odpowiednich prędkości., Pierwsza metoda polega na pomiarze czasu, w którym impuls światła lub dźwięku przemierza znaną odległość; podzielenie odległości przez CZAS TRANZYTU daje wtedy prędkość. Druga metoda wykorzystuje naturę falową wspólną dla tych zjawisk: mierząc zarówno częstotliwość (f), jak i długość fali () fali propagującej, można wyprowadzić prędkość fali z prostej zależności falowej, prędkość = f×. (Częstotliwość fali to liczba grzebieni, które przechodzą na sekundę, podczas gdy długość fali to odległość między grzebieniami)., Chociaż te dwa zjawiska dzielą te podejścia pomiarowe, zasadnicze różnice między światłem i Dźwiękiem doprowadziły do bardzo różnych implementacji eksperymentalnych, a także do różnych zmian historycznych, w określaniu ich prędkości.

w najprostszej formie dźwięk można traktować jako falę podłużną składającą się z ucisków i rozszerzeń medium wzdłuż kierunku propagacji., Ponieważ dźwięk wymaga medium, przez które się propaguje, prędkość fali dźwiękowej zależy od właściwości samego medium (takich jak gęstość, sztywność i temperatura). W związku z tym parametry te muszą być uwzględnione we wszelkich zgłoszonych pomiarach. W rzeczywistości można odwrócić takie pomiary i faktycznie wykorzystać je do określenia właściwości termodynamicznych medium(np. stosunek określonych temperatur).,

pierwszy znany traktat teoretyczny na temat dźwięku został dostarczony przez Sir Isaac Newton w jego Principia, który przewidywał wartość prędkości dźwięku w powietrzu, która różni się o około 16 procent od obecnie akceptowanej wartości. Wczesne wartości eksperymentalne opierały się na pomiarach czasu, w którym dźwięk wystrzałów armatnich pokonywał daną odległość i były dobre do 1% obecnie akceptowanej wartości 331,5 m/s przy 0 stopniach Celsjusza. Daniel Colladon i Charles-Francois Sturm po raz pierwszy dokonali podobnych pomiarów w wodzie w Jeziorze Genewskim w 1826 roku. Znaleźli wartość tylko 0.,2 procent poniżej obecnie akceptowanej wartości ~1440 m / s w temperaturze 8 stopni C. wszystkie te pomiary cierpiały na wahania w samych mediach na dużych odległościach, więc większość późniejszych oznaczeń przeprowadzono w laboratorium, gdzie parametry środowiskowe mogły być lepiej kontrolowane, a większa różnorodność gazów i cieczy mogła być badana. Eksperymenty te często wykorzystują rury z gazu lub cieczy (lub pręty z materiału stałego) o precyzyjnie skalibrowanych długościach. Prędkość dźwięku można następnie określić na podstawie pomiaru czasu, jaki impuls dźwięku zajmuje, aby przemierzyć lampę., Alternatywnie (i zwykle dokładniej), można wzbudzić częstotliwości rezonansowe lampy (podobnie jak w przypadku fletu) poprzez wywołanie wibracji na jednym końcu za pomocą głośnika, widelca strojeniowego lub innego typu przetwornika. Ponieważ odpowiednie długości fal rezonansowych mają prosty związek z długością rury, można następnie określić prędkość dźwięku z relacji fali i dokonać poprawek geometrii rury w celu porównania z prędkościami w wolnej przestrzeni.

falowa natura światła jest zupełnie inna niż fala dźwięku., W najprostszej formie fala elektromagnetyczna (taka jak światło, radio lub mikrofalówka) jest poprzeczna, składająca się z oscylujących pól elektrycznych i magnetycznych, które są prostopadłe do kierunku propagacji. Co więcej, chociaż medium, przez które przemieszcza się światło, wpływa na jego prędkość (zmniejszając ją o współczynnik załamania materiału), światło może również podróżować przez próżnię, zapewniając w ten sposób unikalny kontekst dla określenia jego prędkości., W rzeczywistości prędkość światła w próżni, c, jest podstawowym budulcem teorii względności Einsteina, ponieważ wyznacza górną granicę prędkości we wszechświecie. W rezultacie pojawia się w szerokim zakresie formuł fizycznych, z których najbardziej znanym jest E = mc2. Prędkość światła można więc mierzyć na różne sposoby, ale ze względu na bardzo wysoką wartość (~300 000 km / S lub 186 000 mil / s), początkowo była znacznie trudniejsza do zmierzenia niż prędkość dźwięku., Wczesne wysiłki, takie jak para obserwatorów Galileusza siedzących na przeciwległych wzgórzach migających latarniami w tę i z powrotem, brakowało technologii potrzebnej do dokładnego pomiaru czasu tranzytu wynoszącego zaledwie kilka mikrosekund. Co ciekawe, obserwacje astronomiczne w XVIII wieku doprowadziły do określenia prędkości światła z niepewnością wynoszącą zaledwie 1 procent. Lepsze pomiary wymagały jednak środowiska laboratoryjnego., Louis Fizeau i Leon Foucault byli w stanie wykonać zaktualizowane wersje eksperymentu Galileos dzięki zastosowaniu pomysłowych kombinacji obracających się luster (wraz z ulepszoną technologią pomiarową) i wykonali serię pięknych pomiarów prędkości światła. Dzięki dalszym udoskonaleniom Albert A. Michelson wykonał pomiary na prawie jedną część na dziesięć tysięcy.

Metrologia prędkości światła zmieniła się diametralnie wraz z ustaleniem dokonanym tutaj w NIST w 1972 roku., Pomiar ten opierał się na laserze helowo-neonowym, którego częstotliwość została ustalona za pomocą pętli sprzężenia zwrotnego, aby dopasować częstotliwość odpowiadającą podziałowi między dwoma skwantowanymi poziomami energetycznymi cząsteczki metanu. Zarówno częstotliwość, jak i długość fali tego wysoce stabilnego lasera zostały dokładnie zmierzone, co doprowadziło do 100-krotnego zmniejszenia niepewności dla wartości prędkości światła. Pomiar ten i późniejsze pomiary oparte na innych standardach atomowych/molekularnych były ograniczone Nie techniką pomiarową, ale niepewnością w definicji samego miernika., Ponieważ było jasne, że przyszłe pomiary będą podobnie ograniczone, XVII Konferencja Gnrale des poids et Mesures (Generalna Konferencja Miar i Wag) postanowiła w 1983 roku na nowo zdefiniować miernik pod względem prędkości światła. W ten sposób prędkość światła stała się stała (zdefiniowana jako 299 792 458 m/s), która nigdy więcej nie została zmierzona., W rezultacie definicja miernika jest bezpośrednio związana (poprzez relację c= F×) z częstotliwością, która jest zdecydowanie najdokładniej zmierzoną ilością fizyczną (obecnie najlepsze Zegary fontannowe z atomem cezu mają ułamkową niepewność częstotliwości około 1×10-15).