人類一直試圖了解光

從古至今，人類就一直在努力理解光的基本特性，理解光是由什么組成的，現(xiàn)在我們知道光是由粒子或波組成的，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們對光的特性也越來越了解，測量的精確度也越來越高。通過越來越精確的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們對光的力學(xué)以及它在物理學(xué)、天文學(xué)和宇宙學(xué)中的重要作用有了更深入的理解。光有一個(gè)必須了解的概念就是它的速度，光速是宇宙中移動(dòng)最快的東西。它的速度被認(rèn)為是一個(gè)恒定且牢不可破的極限值，目前來說，沒有任何物質(zhì)能以任何形式超過光速，那么光速到底有多快呢？

多年來，一部分朋友對真空光速數(shù)值有誤解，誤認(rèn)為真空中的光速就是30萬千米每秒，認(rèn)為宇宙處處是巧合。其實(shí)這不是精確數(shù)值，光速的精確數(shù)值是每秒299792458米。光速到底有多快呢？假設(shè)你能以光速前進(jìn)，在一秒內(nèi)就可以繞地球大約7.5圈，如果一個(gè)人以800公里每小時(shí)的平均速度飛行，繞地球一圈需要50個(gè)小時(shí)。從天文學(xué)角度來看，地球到月球的平均距離為384398.25公里。因此，光在大約一秒多一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)就能到達(dá)月球。而太陽到地球的平均距離約為149597886公里，這意味著太陽光需要約8分鐘才能到達(dá)地球。

那么這個(gè)數(shù)值到底是怎么計(jì)算出來的呢，又為什么說光速是不可逾越的障礙呢？其實(shí)直到17世紀(jì)，學(xué)者們?nèi)圆淮_定光是以有限速度行進(jìn)還是瞬間速度行進(jìn)。從古希臘時(shí)代到中世紀(jì)的伊斯蘭學(xué)者之后到近代科學(xué)家，有關(guān)光速話題的爭論從未休止，直到丹麥天文學(xué)家進(jìn)行的第一次定量測量。如果你參觀塞納河左岸的巴黎天文臺，你會(huì)看到墻上的一塊牌匾，上面寫著1676年人類首次測量光速。

之后，法國物理學(xué)家希波呂特·菲索和萊昂·?？碌臏y量結(jié)果進(jìn)一步完善了測量值，得出的值為315000千米每秒。到了19世紀(jì)下半葉，科學(xué)家開始意識到光與電磁之間的聯(lián)系，這是非常關(guān)鍵的一個(gè)進(jìn)步。在20世紀(jì)初，阿爾伯特·愛因斯坦在1905年發(fā)表的題為“關(guān)于運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)”的論文中寫到，在所有慣性參考系中，由非加速觀測者測量的真空中的光速是相同的，并且與光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)效果無關(guān)，這就是光速不變原理。

這是緊湊型SP-NG激光干涉儀，新一代激光干涉儀能提供更加精確的數(shù)值，在整個(gè)測量范圍內(nèi)都具有出色的線性度，校準(zhǔn)起來也比較簡單

愛因斯坦以此為基礎(chǔ)推導(dǎo)出了狹義相對論，這時(shí)，真空中的光速就已經(jīng)是是一個(gè)基本物理常數(shù)了。在20世紀(jì)下半葉，科學(xué)家們使用激光干涉儀和腔共振技術(shù)進(jìn)行了更加精確的測量，這進(jìn)一步完善了光速的準(zhǔn)確數(shù)值。到1972年，位于科羅拉多州博爾德的美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的一個(gè)小組使用激光干涉儀技術(shù)獲得了目前公認(rèn)的299792458米每秒的數(shù)值。

真空光速對于現(xiàn)代科學(xué)的重要作用

那么真空光速對于科學(xué)領(lǐng)域來說到底有什么作用呢？我們剛才說到愛因斯坦的理論內(nèi)容是真空中的光速與光源的運(yùn)動(dòng)和觀察者的慣性參考系無關(guān)。現(xiàn)在，宇宙學(xué)家將空間和時(shí)間視為一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，這就是時(shí)空的來源。從1920年代開始，通過哈勃的觀測數(shù)據(jù)和理論，天文學(xué)家們開始意識到宇宙正在不斷膨脹。哈勃還觀察到，星系越遠(yuǎn)，它移動(dòng)的速度，也就是遠(yuǎn)離我們的速度就越快，這就是哈勃常數(shù)的來源。

宇宙正在膨脹

簡而言之，宇宙膨脹的要比光速快，這會(huì)限制我們可觀測的宇宙的范圍。本質(zhì)上，有一些宇宙結(jié)構(gòu)已經(jīng)超過宇宙事件范圍，在這些視界范圍之外的結(jié)構(gòu)我們可能永遠(yuǎn)也看不到。在時(shí)空模型中，光速可以用來作為計(jì)算定義值，比如光年，光分。所以我們可以這么理解，在確定宇宙膨脹率時(shí)，光速是不可缺少的單位。

另外在1990年代，對遙遠(yuǎn)星系的紅移測量數(shù)據(jù)表明，在過去的數(shù)十億年中，宇宙的膨脹一直在加速。這導(dǎo)致了諸如“暗能量和暗物質(zhì)”之類的理論誕生，我們可以理解為一種看不見的力量推動(dòng)著空間本身的膨脹，所以說不是星系在空間中移動(dòng)，這就好像是葡萄面包，面包膨脹起來帶動(dòng)里面的葡萄逐漸遠(yuǎn)離彼此，而不是葡萄（星系）本身在運(yùn)動(dòng)。

這是可視化量子場粒子作用圖，這張圖為我們展示了量子真空中的虛擬粒子，當(dāng)粒子和反粒子對出現(xiàn)時(shí)，它們可以像電子等真實(shí)粒子一樣相互作用

不過，真空光速真的是恒定不變的嗎？其實(shí)這個(gè)問題現(xiàn)在還無人知曉，因?yàn)楝F(xiàn)在量子理論正在不斷發(fā)展，量子物理學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)很重要的分支，量子物理學(xué)暗示宇宙可能并不像我們想象的那么恒定。另外，量子場論說宇宙中的真空環(huán)境不是說什么都沒有，宇宙真空環(huán)境充滿了基本粒子，這是一種我們現(xiàn)在還無法理解的粒子。

另外海森堡不確定性理論指出，物理測量總是存在一些不確定性。根據(jù)古典物理學(xué)，我們可以確切地知道例如靜止的臺球的位置和動(dòng)量，但這正是不確定性原則所否認(rèn)的。根據(jù)海森堡不確定性理論，我們無法準(zhǔn)確地了解物理現(xiàn)象，就像我們認(rèn)為的真空中光速的固定值一樣，或者說就和這顆臺球一樣。因?yàn)檫@些物質(zhì)原子層級的波動(dòng)太小，我們無法知曉。在量子真空中，它們會(huì)以基本粒子的形式迅速產(chǎn)生或消失，產(chǎn)生微小的能量或等效物質(zhì)爆發(fā)，這可能會(huì)改變真空中的光速。

這是磁光阱室的模型，它將負(fù)責(zé)冷卻和俘獲原子。這個(gè)儀器可以將原子與周圍環(huán)境隔離并冷卻原子，有時(shí)冷卻溫度僅僅比絕對零度值高出幾分之一攝氏度，這才可以發(fā)揮量子特性

當(dāng)然，對這些理論的研究還在進(jìn)行中，我們還不確定這些理論是否適用于真空光速。不過我們需要注意的是，光速只是幾個(gè)基本物理常數(shù)中的一個(gè)?，F(xiàn)在真空光速還是適用于整個(gè)宇宙，隨著時(shí)間的推移或者隨著觀察者的變化真空光速始終保持不變。

領(lǐng)域不一致性

這就是領(lǐng)域的不一致性，在宇宙中真空光速是適用的，但是在微觀世界，普朗克常數(shù)決定了量子效應(yīng)的大小數(shù)值。不過可以確定的是，真空光速和普朗克常數(shù)，或者說其他常數(shù)的數(shù)值都非常精確，科學(xué)家們?yōu)榱舜_定這些數(shù)值，方便計(jì)算，付出了巨大的努力。不同的領(lǐng)域適用不同的數(shù)值，它們彼此之間或許有聯(lián)系。

NASA哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的天文學(xué)家于2014年拍攝了這張超深場照片

光由光子組成，還有一個(gè)根本問題，有些朋友會(huì)問到說為什么光子只能以光速傳播？我們可以這樣理解，加速度會(huì)使物體的質(zhì)量增加，但是，光子的質(zhì)量等于零，它們不需要加速，因?yàn)閺乃鼈冋Q生之時(shí)起，它們就已經(jīng)擁有最高速度。但是現(xiàn)在也有一些科學(xué)家說一些粒子可能超越光速，也就是說這些粒子的質(zhì)量是負(fù)數(shù)，能量下降時(shí)速度反而會(huì)增加，所以有些粒子能夠超越光速。但是，這個(gè)想法仍然是一個(gè)理論。

人類的探索與進(jìn)步

人類對光速是又愛又恨，一方面，幾百年來，無數(shù)人類學(xué)者一輩子兢兢業(yè)業(yè)，想要確定光速的精確數(shù)值，但是另一方面，了解了真空光速，我們還無法超越，現(xiàn)在人類推進(jìn)器的速度連光速的1%都達(dá)不到，再加上量子物理學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，我們現(xiàn)在還無法知曉微觀世界的事情……

不過這么多年來，光速作為物理常數(shù)為宇宙學(xué)家，天文學(xué)家們提供了運(yùn)算上的方便，這使得我們可以更加明白宇宙以及其他巨大結(jié)構(gòu)的原理。隨著科學(xué)的進(jìn)步，光的性質(zhì)及其相關(guān)理論一定會(huì)越來越明晰，這就需要不斷的探索與發(fā)展。