光速

     光速不僅僅是光傳播的速度。它是信息傳遞速度的絕對極限。它不僅把時間與空間以一種根本的方式聯繫在一起，還保證未來不會先於過去發生。因此，聽說我們能夠止住光的腳步，可能會讓人感到驚訝。

      在你閱讀這個句子的時間裡，邁克爾·舒馬赫可以駕着他的法拉利跑出300米，而光則可以在地球與月亮之間走個來回。光運動得如此之快，以至於在人類歷史的大多數時間裡，它被認為是瞬時傳播的。我們現在知道事實當然並非如此，還學會了控制光的速度。我們可以使光的運動變慢甚至停止，然後輕輕按一下開關使它重新運動起來。我們可以看到光在一場賽跑中打敗它自己，還可以利用光速來測量宇宙的年紀。它甚至能夠決定你有多高。

　　丹麥天文學家羅默（Ole Romer）在17世紀首次成功地計算出光速。他使用木星的一顆衛星有規律的軌道運動作為計時器，每次這顆衛星被巨大的行星（木星）所掩食，他便記錄下一個“滴答”。但他發現，從地球上觀察，這些滴答的出現並不像預想的那麼規律，在一年之中會時而快幾分鐘，時而慢幾分鐘。

      羅默計算出，這些時延是木星和地球在繞太陽運動時它們之間的距離變化所引起的。通過計算一年裡地球、木星及其衛星在軌道上的相對位置，他算出了光穿過宇宙空間的速度。羅默於1676年向法國科學院提交了他的結果，數值與目前被接受的值之差不超過30%。

      對光之本性的理論探討也使人們對光速有所了解。19世紀60年代中期，蘇格蘭科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋創建了一組方程，描述電磁場在空間中的行為。這個方程的一個解表明，電磁波在真空中必須以約為每秒30萬公里的速度傳播，與羅默及其後人的測量結果相當接近。

　　倫敦皇家研究院的邁克爾·法拉第用電場和磁場的概念解釋靜電力和磁場力，並表明光會受到磁場影響。這證實了可見光事實上是電磁波譜中的一部分。對電磁波譜其它部分——微波，紅外線，紫外線，X射線和γ射線——傳播速度的直接測量表明，它們在真空中都有相同的速度。

　　用於測量光速的實驗不斷地變得更精確。到20世紀50年代，電子計時裝置已經取代了古老的機械設備。20世紀80年代，通過測量激光和頻率（f）和波長（λ），運用c=fλ公式計算出了光速（c）。這些計算以米和秒的標準定義為基礎，就像現在一樣，1米定義為氪-86源產生的光的波長的1,650,763.73倍，1秒則定義為銫-133原子超精細躍遷放出的輻射頻率的9,192,631,770倍。這使得c達到非常高的精度，誤差只有十億分之幾。

　　1983年，光速取代了米被選作定義標準，約定為299,792,458米/秒，數值與當時的米定義一致。秒和光速的定義值，表示1米從此定義為光在真空中1/299,792,458秒內走過的距離。因此自1983年以來，不管我們對光速的測量作了多少精確的修正，都不會影響到光速值，卻會影響到米的長度。你有多高事實上是由光速定義的。

　　但光速還定義着比長度更加基本的東西。阿爾伯特·愛因斯坦的工作表明了光速的真正重要性。由於他的功勞，我們知道，光速不僅僅是光子在真空中運動的速度，還是連接時間與空間的基本常數。

　　愛因斯坦年輕的時候曾經問自己，如果人運動的速度快到足以跟上光的腳步，光看起來是什麼樣子的。理論上它看上去像是你身邊一個靜止的峰，但愛因斯坦知道，麥克斯韋方程組不允許這種結果出現。他得出結論認為，要麼是麥克斯韋的理論不適用於運動中的觀察者，要麼是相對運動力學需要更改。

　　愛因斯坦在他1905年發表的狹義相對論里解決了這個問題。這一理論基於一個通用原則：相對任何以恆定速度運動的觀察者來說，不管這個速度是多少，物理原理及光速都是一樣的。愛因斯坦的狹義相對論使我們對時間和空間的觀念發生了革命性的變化，強調了光速在物理學中的根本地位。

　　想象你在一枚火箭里，與一道激光脈衝一同沖入宇宙空間。地球上的觀察者會看到這一脈衝以光速遠去。無論你相對於地球運動的速度為多少，譬如光速的99%罷，光線仍以光速超越你。看起來似乎很荒謬，但這是真的。使這為真的唯一途徑，就是你火箭中的居住者和地球表面的觀察者以不同方式衡量時間和空間。

      時間與空間看上去當然是不同的，這依賴於你是在地球上還是在宇宙空間裡。愛因斯坦的廣義相對論將引力描述為時空幾何結構的扭曲。這種說法的一個推論，就是始終沿可能的最短路徑穿越時空的光線，在大質量物體附近會彎曲。這在1919年日食期間觀測掠過太陽附近的星光被太陽的質量所彎曲而得到證明。這
一觀測使愛因斯坦的理論最終得到接受，並為他贏得了世界性的聲譽。

　　但按照基本力學原理，如果光線偏轉，它會被加速。這是否將使光速發生變化，動搖相對論的根本原則？在某種意義上是對的：我們從地球上觀察到的光速，在它從太陽附近經過時確實會變化。然而相對論和光速不變原理不能被拋棄。

引力的惡作劇——眼見不為實
      愛因斯坦認識到，引力是無法自由運動的觀察者們經歷的某種幻象。想象從一堵牆上跳下。在自由落體的過程中，你不會感動周圍的引力作用，但任何在地面上瞧着你落下來的人，都會解釋說你的運動是引力的作用所致。同樣的說法對空間站中的宇航員也適用：他們被提及時總是說成時處在“零重力”環境裡，但從地球的表面往上看，我們會用引力吸引來解釋他們繞地球的軌道運動。所以當我們從地球上觀察時，經過太陽附近的光線看上去彎曲、加速了，但如果我們自由落體地落向太陽，光線看上去會以恆速沿直線經過我們身邊。對任何自由落體的觀察者來說，經過他的光線都以恆定速度運動。不過，它在掠過扭曲其附近時空的大質量物體時，看上去會彎曲和加速。


      相對論另一個奇怪的推論是，沒有任何物體能加速到光速。不和我們建造動力多麼強勁的火箭飛船，它們也永遠不能到達光速。這是因為物體運動得越快，其動能越大，慣性也越大。愛因斯坦在他的E=mc2公式中指出，能量和質量或者說慣性相關聯。因此一個物體的動能增加，它的慣性也增加，從而越來越難繼續加速。這是一個收益遞減原理：你對一個物體做的功越多，它就變得越重，加速的效果也越微弱。

　　把單一電子加速到光速，就需要無限的能量，粒子物理學家們對這一限制深有感觸。質子進入美國伊利諾伊州Batawia費米實驗室的Tevatron加速器時，它們的速度已經達到光速的99%。加速器的最後階段使質子的能量提高了100倍，但速度僅增加到光速的99.99995%，與它們進入加速器的速度相比，提高不足1%。

　　不過，一直與相對論有衝突的量子理論看上去是允許物質以大於光速的速度運動的。在20世紀20年代，量子論顯示一個系統相隔遙遠的不同組成部分能夠瞬時聯繫。例如，當一個高能光子衰變成兩個低能光子時，它們的狀態（例如，是順時針或逆時針自旋）是不定的，直到對它們中間的某一個作出觀察才確定下來。另一個粒子看上去感知到它的同伴被進行了一次觀測，結果是任何對第二個粒子的測量總會得到與對第一個粒子的測量相一致的結果。這樣遠距離的瞬時聯繫，看起來像是一個訊息以無限大的速度在粒子之間傳遞了。它被愛因斯坦稱為“幽靈式的超距作用”，聽起來難以置信，但卻是真實的現象。

　　1993年，加利福尼亞大學伯克利分校的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。想象朝一堵堅實的牆上踢一個足球，牛頓力學預言它會被彈會，但量子力學預言它還有極小的可能出現在牆的另一面。考慮這種情況的一種途徑，是想象它能“借”到足夠的能量穿越牆壁，並在到達另一面之後立即將能量歸還。這並不違反物理定律，因為最終能量、動量和其它屬性都得到了保存。德國物理學家維納·海森堡的測不準原理表明，在一個系統中，總有某些屬性——在這一情況中是能量——的值是不能確定的，因此量子物理學原理允許系統利用這種不確定性，短時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的需要幾乎可以忽略不計，障礙物可以任意的厚——不過隨着厚度增加，粒子隧穿的幾率也就迅速地朝零的方向遞減。

　　Chiao通過測量可見光光子通過特定過濾器的隧穿時間，證明了隧穿“超光速”隧穿效應的存在。為此，他讓這些光子與在相似時間內穿過真空的光子進行比較。結果隧穿光子先到達探測器，Chiao證明它們穿越過濾器的速度可能為光速的1.7倍。

　　1994年，維也納技術大學的Ferenc Kraus表明，隧穿時間有一個不依賴於障礙物厚度的上限，這表示光子隧穿障礙物的時間沒有上限。德國科隆大學的Gunter Nimtz也用微波實現了這種“超光速”。他甚至把莫扎特第40號交響曲調製在信號上，以4.7倍光速的速度將它傳輸通過12厘米厚的障礙物。

全速前進——信息傳遞的極限

　　上述這些想法看上去都動搖了禁止超光速的相對論原理。然而它們都沒有，因為相對論所禁止的實際上是信息的超光速傳輸。實驗已經表明兩個量子物體之間的“瞬時聯繫”不能用來傳遞信息。隧穿效應也受到同樣的限制。這是由於量子理論是一種內在統計規律，它依賴於大量粒子群體的性質。因此幾個光子超越時間是不能用於傳遞信息的。隧穿效應使輸入的波形變形，使之產生一個可能比預期時間更早被接收到的波峰。然而，信息不是由單一波峰攜帶的，而是由整個波包傳送，後者不會運動得比光快。對隧穿效應的謹慎分析結果，似乎支持信號的信息內容仍受到光速限制的說法，儘管這仍是一個有爭議的話題。

　　信息傳遞的這一速度限制保護了因果律，即一個事件的結果不能比該事件更早發生。如果不是這樣，以不同速度運動的觀察者將永遠不會對一系列特定相關事件的順序得出相同的結論。有的人可能打了一個茶杯，看到它的碎片四散開來，另一個觀察者卻可能先看到碎片，然後才看到茶杯落下。如果沒有信息傳遞速
度的這個限制，宇宙看起來會非常的古怪。

　　儘管在真空裡不可能使一個有質量的粒子運動得比光更快，在“折射率”超過1的物質內部，就不是這樣。例如在水裡，光運動的速度是其真空速度的60%。光在不同的透明材料里速度會放慢，這一事實在300年前就被人發現。它能夠解釋光的折射和散射，這也是所有光學儀器背後的原理。折射的產生，是因為光子——組成光的獨立能量單位——與原子內部的電子產生相互作用。光子在原子之間以全速運行，但在穿過材料的過程中反覆地被吸收和重新釋放，因此它們所攜帶的信息傳播的速度會下降。於是，像高能電子這樣的粒子在水中完全可能比光在同一介質中運動得快。這種情況下，它們產生電磁波，後者的運動速度沒有
粒子快，就會沿運動方向聚集形成一個劇烈的衝擊波，這與超音速飛機產生音爆的機理相同。物質介質中運動得比光快的粒子產生的這種輻射稱為切倫科夫輻射，常用於檢測其它運動得比光快的不可見粒子，例如在東京宇宙線研究所神崗宇宙粒子研究設施中裝滿水的巨大探測器里尋找中微子。

　　大多數物質不會使光速明顯變慢，在一般物質里，光速可下降的幅度不超過50%左右。然而，1998年美國哈佛大學的Lene Vestergaard Hau宣布，她把光速降到了每秒17米。2001年，她使光完全停止了。當然，她的研究小組所用的不是普通材料，而是處於所謂（繼固態、液態、氣態和等離子態之後的）第五種物
質狀態：玻色－愛因斯坦凝聚態的物質。

　　這種非同尋常的物質由一團原子云組成，這團原子云冷卻到絕對零度以上百萬分之一度，從而形成玻色－愛因斯坦凝聚。它實質是一個單一的量子物體，有點像一個巨大的原子，其中所有的原子都處在同一量子態上，以同樣方式運動，仿佛它們就是一個物體。

　　使光速變慢的技巧，在於用兩束垂直相交的光速照射玻色－愛因斯坦凝聚體。其中一束攜帶信息，稱為探測光；另一束稱為耦合光。耦合光照射到凝聚體上時，會使它變得完全透明，從而使探測光能夠穿過。

　　鈉原子的最外層軌道上有一個電子，探測光與這個電子之間的相互作用對這一過程非常關鍵。當一個原子從探測光速吸收一個光子時，外層電子跳到一個較高的能級。很短一段時間之後，它又跌回到原來的能級，釋放出一個光子。不走運的是，這個過程完全是隨機的，因此原有光束中所有的信息都丟失了。

      測光脈衝頻率不同的組成部分在穿過凝聚物時速度不同，這樣的結果是一個輸入脈衝在鈉原子云中聚成一團，緩緩通過，其間原子的自旋受脈衝的影響發生變化。如果耦合光在此時被撤去，光脈衝（或至少是其中的信息）就被束縛在原子的自旋方式里，光束實質上停止了。耦合光再次亮起，凝聚物就重新釋放出光脈衝。

　　放慢或停止光的腳步，可能在運算方面獲得實際應用。物理學家長久以來一直想製造光計算機，利用光速而非電子來傳遞信號、執行運算。他們還希望造出量子計算機，利用原子的量子態和奇異的量子原理來製造運算能力超強的處理器。Hau對付光的技巧還可能幫助科學家們模擬光在黑洞附近的行為。實際上，研
究光速也許是解開宇宙最深奧秘——那些由光速幫助決定的奧秘——的最佳途徑。

補充１：光的惡作劇和空間中的幻覺

　　存在許多物體看上去運動得比光快的例證。但實際上它們並不違背相對論原則。例如掃過電視屏幕的電子束所繪出的線，理論上可以運動得比光快，這種現象的原因是屏幕上位置連續的熒光像素由不同的電子激發。因此實質上並沒有什麼東西以比光更快的速度從一點運動到下一點，僅僅是因為它們以某種順序發出亮光，所以看上去是那樣。

　　天文學家在宇宙空間中看到了超光速的幻覺：類星體有時噴出看上去速度比光速快得多的噴流。為了測量這些噴流的速度，天文學家需要對其位置進行兩次測量，以這兩次測量之間的時間來推算噴流的速度。但如果這速度比光速快得多，其間是有充分理由的：因為噴流是直接朝向觀察者噴發的。這樣，接下來的觀察就必須考慮到氣流離觀察者更近了，它發出的光到達地球所需的時間減少了。這使得在兩次觀察的間隔中，噴流運動的距離看上去比實際距離要遠。

　　兩位美國天文學家——埃德溫·哈勃和維斯托·斯里弗在20世紀20年代發現過另一個幻覺。他們發現宇宙在膨脹，星系就像爆炸產生的殘骸一樣在彼此遠離。不過在這一事例中，星系之間距離越遠，互相分離的速度越大。如果星系之間足夠遠，它們退行的速度就比光還快。因此如果這種顯而易見的擴展是由於星系在空間中奔行所致，相對論關於沒有物體能運行得比光快的原則就被打破了。但事實上這也是幻覺。星系的超光速運動事實上是星系之間的空間在擴張所致。不管人們認為他們看到的是什麼，光速仍未被超越。

補充2：均勻宇宙中的不均勻光速？

　　在宇宙學中，有一個問題稱為“視界問題”（Horizon Prolem）。光速可能並非一直是它現在這麼大。如果它會隨時間變化，並且在過去曾經比現在快得多，就可能幫助解開這個宇宙學之謎。

　　如果光速就是任何信號傳遞速度的上限，宇宙中相距遙遠的區域就沒有理由達到熱平衡。簡單地講，就是因為沒有任何東西——包括熱——能夠在大爆炸發生以後的時間裡走完這段距離。而如果兩個區域不能交換熱量，它們也就不會達到相同溫度。

　　然而，宇宙在大尺度上是相當均勻的，因此過去其中必然存在某種聯繫，對此聽起來最合乎情理的解釋稱為暴脹理論。該理論認為，在非常早的時候，在哈脖發現的那種從容不迫的擴張開始之前，宇宙曾經歷了一段指數擴張的時期。

　　但這種迅速的暴脹面臨着它自己的光速問題，這促使物理學家們想到，早期宇宙中的光速可能與現在不同。如果光速過去曾比現在快得多，就會允許“視界”擴散得更遠，從而可以達成熱平衡。

　　這一大膽理論是否能被融進其它物理理論，現在還不清楚。不過它仍表明，在我們對宇宙的理解中，光速占據着核心地位