
光速 1983年,光速取代了米被选作定义标准,约定为299,792,458米/秒,数值与当时的米定义一致。秒和光速的定义值,表示1米从此定义为光在真空中1/299,792,458秒内走过的距离。因此自1983年以来,不管我们对光速的测量作了多少精确的修正,都不会影响到光速值,却会影响到米的长度。你有多高事实上是由光速定义的。 但光速还定义着比长度更加基本的东西。阿尔伯特?爱因斯坦的工作表明了光速的真正重要性。由于他的功劳,我们知道,光速不仅仅是光子在真空中运动的速度,还是连接时间与空间的基本常数。 爱因斯坦年轻的时候曾经问自己,如果人运动的速度快到足以跟上光的脚步,光看起来是什么样子的。理论上它看上去像是你身边一个静止的峰,但爱因斯坦知道,麦克斯韦方程组不允许这种结果出现。他得出结论认为,要么是麦克斯韦的理论不适用于运动中的观察者,要么是相对运动力学需要更改。 爱因斯坦在他1905年发表的狭义相对论里解决了这个问题。这一理论基于一个通用原则:相对任何以恒定速度运动的观察者来说,不管这个速度是多少,物理原理及光速都是一样的。爱因斯坦的狭义相对论使我们对时间和空间的观念发生了革命性的变化,强调了光速在物理学中的根本地位。 想象你在一枚火箭里,与一道激光脉冲一同冲入宇宙空间。地球上的观察者会看到这一脉冲以光速远去。无论你相对于地球运动的速度为多少,譬如光速的99%罢,光线仍以光速超越你。看起来似乎很荒谬,但这是真的。使这为真的唯一途径,就是你火箭中的居住者和地球表面的观察者以不同方式衡量时间和空间。 时间与空间看上去当然是不同的,这依赖于你是在地球上还是在宇宙空间里。爱因斯坦的广义相对论将引力描述为时空几何结构的扭曲。这种说法的一个推论,就是始终沿可能的最短路径穿越时空的光线,在大质量物体附近会弯曲。这在1919年日食期间观测掠过太阳附近的星光被太阳的质量所弯曲而得到证明。这一观测使爱因斯坦的理论最终得到接受,并为他赢得了世界性的声誉。 但按照基本力学原理,如果光线偏转,它会被加速。这是否将使光速发生变化,动摇相对论的根本原则?在某种意义上是对的:我们从地球上观察到的光速,在它从太阳附近经过时确实会变化。然而相对论和光速不变原理不能被抛弃。 
光速 爱因斯坦认识到,引力是无法自由运动的观察者们经历的某种幻象。想象从一堵墙上跳下。在自由落体的过程中,你不会感动周围的引力作用,但任何在地面上瞧着你落下来的人,都会解释说你的运动是引力的作用所致。同样的说法对空间站中的宇航员也适用:他们被提及时总是说成时处在“零重力”环境里,但从地球的表面往上看,我们会用引力吸引来解释他们绕地球的轨道运动。所以当我们从地球上观察时,经过太阳附近的光线看上去弯曲、加速了,但如果我们自由落体地落向太阳,光线看上去会以恒速沿直线经过我们身边。对任何自由落体的观察者来说,经过他的光线都以恒定速度运动。不过,它在掠过扭曲其附近时空的大质量物体时,看上去会弯曲和加速。 相对论另一个奇怪的推论是,没有任何物体能加速到光速。不和我们建造动力多么强劲的火箭飞船,它们也永远不能到达光速。这是因为物体运动得越快,其动能越大,惯性也越大。爱因斯坦在他的E=mc2公式中指出,能量和质量或者说惯性相关联。因此一个物体的动能增加,它的惯性也增加,从而越来越难继续加速。这是一个收益递减原理:你对一个物体做的功越多,它就变得越重,加速的效果也越微弱。 把单一电子加速到光速,就需要无限的能量,粒子物理学家们对这一限制深有感触。质子进入美国伊利诺伊州Batawia费米实验室的Tevatron加速器时,它们的速度已经达到光速的99%。加速器的最后阶段使质子的能量提高了100倍,但速度仅增加到光速的99.99995%,与它们进入加速器的速度相比,提高不足1%。 不过,一直与相对论有冲突的量子理论看上去是允许物质以大于光速的速度运动的。在20世纪20年代,量子论显示一个系统相隔遥远的不同组成部分能够瞬时联系。例如,当一个高能光子衰变成两个低能光子时,它们的状态(例如,是顺时针或逆时针自旋)是不定的,直到对它们中间的某一个作出观察才确定下来。另一个粒子看上去感知到它的同伴被进行了一次观测,结果是任何对第二个粒子的测量总会得到与对第一个粒子的测量相一致的结果。这样远距离的瞬时联系,看起来像是一个讯息以无限大的速度在粒子之间传递了。它被爱因斯坦称为“幽灵式的超距作用”,听起来难以置信,但却是真实的现象。 1993年,加利福尼亚大学伯克利分校的RaymondChiao表明,量子理论还允许另一种超光速旅行存在:量子隧穿。想象朝一堵坚实的墙上踢一个足球,牛顿力学预言它会被弹会,但量子力学预言它还有极小的可能出现在墙的另一面。考虑这种情况的一种途径,是想象它能“借”到足够的能量穿越墙壁,并在到达另一面之后立即将能量归还。这并不违反物理定律,因为最终能量、动量和其它属性都得到了保存。

光速 爱因斯坦认识到,引力是无法自由运动的观察者们经历的某种幻象。想象从一堵墙上跳下。在自由落体的过程中,你不会感动周围的引力作用,但任何在地面上瞧着你落下来的人,都会解释说你的运动是引力的作用所致。同样的说法对空间站中的宇航员也适用:他们被提及时总是说成时处在“零重力”环境里,但从地球的表面往上看,我们会用引力吸引来解释他们绕地球的轨道运动。所以当我们从地球上观察时,经过太阳附近的光线看上去弯曲、加速了,但如果我们自由落体地落向太阳,光线看上去会以恒速沿直线经过我们身边。对任何自由落体的观察者来说,经过他的光线都以恒定速度运动。不过,它在掠过扭曲其附近时空的大质量物体时,看上去会弯曲和加速。 相对论另一个奇怪的推论是,没有任何物体能加速到光速。不和我们建造动力多么强劲的火箭飞船,它们也永远不能到达光速。这是因为物体运动得越快,其动能越大,惯性也越大。爱因斯坦在他的E=mc2公式中指出,能量和质量或者说惯性相关联。因此一个物体的动能增加,它的惯性也增加,从而越来越难继续加速。这是一个收益递减原理:你对一个物体做的功越多,它就变得越重,加速的效果也越微弱。 把单一电子加速到光速,就需要无限的能量,粒子物理学家们对这一限制深有感触。质子进入美国伊利诺伊州Batawia费米实验室的Tevatron加速器时,它们的速度已经达到光速的99%。加速器的最后阶段使质子的能量提高了100倍,但速度仅增加到光速的99.99995%,与它们进入加速器的速度相比,提高不足1%。 不过,一直与相对论有冲突的量子理论看上去是允许物质以大于光速的速度运动的。在20世纪20年代,量子论显示一个系统相隔遥远的不同组成部分能够瞬时联系。例如,当一个高能光子衰变成两个低能光子时,它们的状态(例如,是顺时针或逆时针自旋)是不定的,直到对它们中间的某一个作出观察才确定下来。另一个粒子看上去感知到它的同伴被进行了一次观测,结果是任何对第二个粒子的测量总会得到与对第一个粒子的测量相一致的结果。这样远距离的瞬时联系,看起来像是一个讯息以无限大的速度在粒子之间传递了。它被爱因斯坦称为“幽灵式的超距作用”,听起来难以置信,但却是真实的现象。 1993年,加利福尼亚大学伯克利分校的RaymondChiao表明,量子理论还允许另一种超光速旅行存在:量子隧穿。想象朝一堵坚实的墙上踢一个足球,牛顿力学预言它会被弹会,但量子力学预言它还有极小的可能出现在墙的另一面。考虑这种情况的一种途径,是想象它能“借”到足够的能量穿越墙壁,并在到达另一面之后立即将能量归还。这并不违反物理定律,因为最终能量、动量和其它属性都得到了保存。