執著的希望之光，光速與現代科學有什麼聯繫，為什麼無法超越光速

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，理解光是由什麼組成的，現在我們知道光是由粒子或波組成的，隨著科學技術的不斷發展，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據，科學家們對光的力學以及它在物理學、天文學和宇宙學中的重要作用有了更深入的理解。光有一個必須了解的概念就是它的速度，光速是宇宙中移動最快的東西。它的速度被認為是一個恆定且牢不可破的極限值，目前來說，沒有任何物質能以任何形式超過光速，那麼光速到底有多快呢？

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

那麼這個數值到底是怎麼計算出來的呢，又為什麼說光速是不可逾越的障礙呢？其實直到17世紀，學者們仍不確定光是以有限速度行進還是瞬間速度行進。從古希臘時代到中世紀的伊斯蘭學者之後到近代科學家，有關光速話題的爭論從未休止，直到丹麥天文學家進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，你會看到牆上的一塊牌匾，上面寫著1676年人類首次測量光速。

之後，法國物理學家希波呂特·菲索和萊昂·福柯的測量結果進一步完善了測量值，得出的值為315000千米每秒。到了19世紀下半葉，科學家開始意識到光與電磁之間的聯繫，這是非常關鍵的一個進步。在20世紀初，阿爾伯特·愛因斯坦在1905年發表的題為「關於運動物體的電動力學」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，並且與光源或觀察者的運動效果無關，這就是光速不變原理。

這是緊湊型SP-NG雷射幹涉儀，新一代雷射幹涉儀能提供更加精確的數值，在整個測量範圍內都具有出色的線性度，校準起來也比較簡單

愛因斯坦以此為基礎推導出了狹義相對論，這時，真空中的光速就已經是是一個基本物理常數了。在20世紀下半葉，科學家們使用雷射幹涉儀和腔共振技術進行了更加精確的測量，這進一步完善了光速的準確數值。到1972年，位於科羅拉多州博爾德的美國國家標準局的一個小組使用雷射幹涉儀技術獲得了目前公認的299792458米每秒的數值。

真空光速對於現代科學的重要作用

那麼真空光速對於科學領域來說到底有什麼作用呢？我們剛才說到愛因斯坦的理論內容是真空中的光速與光源的運動和觀察者的慣性參考系無關。現在，宇宙學家將空間和時間視為一個統一的結構，這就是時空的來源。從1920年代開始，通過哈勃的觀測數據和理論，天文學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，它移動的速度，也就是遠離我們的速度就越快，這就是哈勃常數的來源。

宇宙正在膨脹

簡而言之，宇宙膨脹的要比光速快，這會限制我們可觀測的宇宙的範圍。本質上，有一些宇宙結構已經超過宇宙事件範圍，在這些視界範圍之外的結構我們可能永遠也看不到。在時空模型中，光速可以用來作為計算定義值，比如光年，光分。所以我們可以這麼理解，在確定宇宙膨脹率時，光速是不可缺少的單位。

另外在1990年代，對遙遠星系的紅移測量數據表明，在過去的數十億年中，宇宙的膨脹一直在加速。這導致了諸如「暗能量和暗物質」之類的理論誕生，我們可以理解為一種看不見的力量推動著空間本身的膨脹，所以說不是星系在空間中移動，這就好像是葡萄麵包，麵包膨脹起來帶動裡面的葡萄逐漸遠離彼此，而不是葡萄（星系）本身在運動。

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，當粒子和反粒子對出現時，它們可以像電子等真實粒子一樣相互作用

不過，真空光速真的是恆定不變的嗎？其實這個問題現在還無人知曉，因為現在量子理論正在不斷發展，量子物理學是物理學的一個很重要的分支，量子物理學暗示宇宙可能並不像我們想像的那麼恆定。另外，量子場論說宇宙中的真空環境不是說什麼都沒有，宇宙真空環境充滿了基本粒子，這是一種我們現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。根據古典物理學，我們可以確切地知道例如靜止的撞球的位置和動量，但這正是不確定性原則所否認的。根據海森堡不確定性理論，我們無法準確地了解物理現象，就像我們認為的真空中光速的固定值一樣，或者說就和這顆撞球一樣。因為這些物質原子層級的波動太小，我們無法知曉。在量子真空中，它們會以基本粒子的形式迅速產生或消失，產生微小的能量或等效物質爆發，這可能會改變真空中的光速。

這是磁光阱室的模型，它將負責冷卻和俘獲原子。這個儀器可以將原子與周圍環境隔離並冷卻原子，有時冷卻溫度僅僅比絕對零度值高出幾分之一攝氏度，這才可以發揮量子特性

當然，對這些理論的研究還在進行中，我們還不確定這些理論是否適用於真空光速。不過我們需要注意的是，光速只是幾個基本物理常數中的一個。現在真空光速還是適用於整個宇宙，隨著時間的推移或者隨著觀察者的變化真空光速始終保持不變。

領域不一致性

這就是領域的不一致性，在宇宙中真空光速是適用的，但是在微觀世界，普朗克常數決定了量子效應的大小數值。不過可以確定的是，真空光速和普朗克常數，或者說其他常數的數值都非常精確，科學家們為了確定這些數值，方便計算，付出了巨大的努力。不同的領域適用不同的數值，它們彼此之間或許有聯繫。

NASA哈勃太空望遠鏡的天文學家於2014年拍攝了這張超深場照片

光由光子組成，還有一個根本問題，有些朋友會問到說為什麼光子只能以光速傳播？我們可以這樣理解，加速度會使物體的質量增加，但是，光子的質量等於零，它們不需要加速，因為從它們誕生之時起，它們就已經擁有最高速度。但是現在也有一些科學家說一些粒子可能超越光速，也就是說這些粒子的質量是負數，能量下降時速度反而會增加，所以有些粒子能夠超越光速。但是，這個想法仍然是一個理論。

人類的探索與進步

人類對光速是又愛又恨，一方面，幾百年來，無數人類學者一輩子兢兢業業，想要確定光速的精確數值，但是另一方面，了解了真空光速，我們還無法超越，現在人類推進器的速度連光速的1%都達不到，再加上量子物理學領域的發展，我們現在還無法知曉微觀世界的事情……

不過這麼多年來，光速作為物理常數為宇宙學家，天文學家們提供了運算上的方便，這使得我們可以更加明白宇宙以及其他巨大結構的原理。隨著科學的進步，光的性質及其相關理論一定會越來越明晰，這就需要不斷的探索與發展。