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(shí)間與空間以一種根本的方式聯(lián)系在一起，還保證未來不會先于過去發(fā)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(gè)句子的時(shí)間里，邁克爾·舒馬赫可以駕著他的法拉利跑出300米，而光則可以在地球與月亮之間走個(gè)來回。光運(yùn)動得如此之快，以至于在人類歷史的大多數(shù)時(shí)間里，它被認(rèn)為是瞬時(shí)傳播的。我們現(xiàn)在知道事實(shí)當(dāng)然并非如此，還學(xué)會了控制光的速度。我們可以使光的運(yùn)動變慢甚至停止，然后輕輕按一下開關(guān)使它重新運(yùn)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(jì)。它甚至能夠決定你有多高。
丹麥天文學(xué)家羅默（Ole Romer）在17世紀(jì)首次成功地計(jì)算出光速。他使用木星的一顆衛(wèi)星有規(guī)律的軌道運(yùn)動作為計(jì)時(shí)器，每次這顆衛(wèi)星被巨大的行星（木星）所掩食，他便記錄下一個(gè)“滴答”。但他發(fā)現(xiàn)，從地球上觀察，這些滴答的出現(xiàn)并不像預(yù)想的那么規(guī)律，在一年之中會時(shí)而快幾分鐘，時(shí)而慢幾分鐘。
羅默計(jì)算出，這些時(shí)延是木星和地球在繞太陽運(yùn)動時(shí)它們之間的距離變化所引起的。通過計(jì)算一年里地球、木星及其衛(wèi)星在軌道上的相對位置，他算出了光穿過宇宙空間的速度。羅默于1676年向法國科學(xué)院提交了他的結(jié)果，數(shù)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(jì)60年代中期，蘇格蘭科學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋創(chuàng)建了一組方程，描述電磁場在空間中的行為。這個(gè)方程的一個(gè)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，與羅默及其后人的測量結(jié)果相當(dāng)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，并表明光會受到磁場影響。這證實(shí)了可見光事實(shí)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。
用于測量光速的實(shí)驗(yàn)不斷地變得更精確。到20世紀(jì)50年代，電子計(jì)時(shí)裝置已經(jīng)取代了古老的機(jī)械設(shè)備。20世紀(jì)80年代，通過測量激光和頻率（f）和波長（λ），運(yùn)用c=fλ公式計(jì)算出了光速（c）。這些計(jì)算以米和秒的標(biāo)準(zhǔn)定義為基礎(chǔ)，就像現(xiàn)在一樣，1米定義為氪-86源產(chǎn)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(xì)躍遷放出的輻射頻率的9,192,631,770倍。這使得c達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，約定為299,792,458米/秒，數(shù)值與當(dāng)時(shí)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(nèi)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(shí)上是由光速定義的。
但光速還定義著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。由于他的功勞，我們知道，光速不僅僅是光子在真空中運(yùn)動的速度，還是連接時(shí)間與空間的基本常數(shù)。
愛因斯坦年輕的時(shí)候曾經(jīng)問自己，如果人運(yùn)動的速度快到足以跟上光的腳步，光看起來是什么樣子的。理論上它看上去像是你身邊一個(gè)靜止的峰，但愛因斯坦知道，麥克斯韋方程組不允許這種結(jié)果出現(xiàn)。他得出結(jié)論認(rèn)為，要么是麥克斯韋的理論不適用于運(yùn)動中的觀察者，要么是相對運(yùn)動力學(xué)需要更改。
愛因斯坦在他1905年發(fā)表的狹義相對論里解決了這個(gè)問題。這一理論基于一個(gè)通用原則：相對任何以恒定速度運(yùn)動的觀察者來說，不管這個(gè)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(shí)間和空間的觀念發(fā)生了革命性的變化，強(qiáng)調(diào)了光速在物理學(xué)中的根本地位。
想象你在一枚火箭里，與一道激光脈沖一同沖入宇宙空間。地球上的觀察者會看到這一脈沖以光速遠(yuǎn)去。無論你相對于地球運(yùn)動的速度為多少，譬如光速的99%罷，光線仍以光速超越你?？雌饋硭坪鹾芑闹嚕@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(shí)間和空間。
時(shí)間與空間看上去當(dāng)然是不同的，這依賴于你是在地球上還是在宇宙空間里。愛因斯坦的廣義相對論將引力描述為時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)的扭曲。這種說法的一個(gè)推論，就是始終沿可能的最短路徑穿越時(shí)空的光線，在大質(zhì)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(zhì)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，并為他贏得了世界性的聲譽(yù)。
但按照基本力學(xué)原理，如果光線偏轉(zhuǎn)，它會被加速。這是否將使光速發(fā)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(jīng)過時(shí)確實(shí)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(shí)
愛因斯坦認(rèn)識到，引力是無法自由運(yùn)動的觀察者們經(jīng)歷的某種幻象。想象從一堵墻上跳下。在自由落體的過程中，你不會感動周圍的引力作用，但任何在地面上瞧著你落下來的人，都會解釋說你的運(yùn)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(shí)總是說成時(shí)處在“零重力”環(huán)境里，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(yùn)動。所以當(dāng)我們從地球上觀察時(shí)，經(jīng)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，光線看上去會以恒速沿直線經(jīng)過我們身邊。對任何自由落體的觀察者來說，經(jīng)過他的光線都以恒定速度運(yùn)動。不過，它在掠過扭曲其附近時(shí)空的大質(zhì)量物體時(shí)，看上去會彎曲和加速。
相對論另一個(gè)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么強(qiáng)勁的火箭飛船，它們也永遠(yuǎn)不能到達(dá)光速。這是因?yàn)槲矬w運(yùn)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(zhì)量或者說慣性相關(guān)聯(lián)。因此一個(gè)物體的動能增加，它的慣性也增加，從而越來越難繼續(xù)加速。這是一個(gè)收益遞減原理：你對一個(gè)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(xué)家們對這一限制深有感觸。質(zhì)子進(jìn)入美國伊利諾伊州Batawia費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron加速器時(shí)，它們的速度已經(jīng)達(dá)到光速的99%。加速器的最后階段使質(zhì)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(jìn)入加速器的速度相比，提高不足1%。
不過，一直與相對論有沖突的量子理論看上去是允許物質(zhì)以大于光速的速度運(yùn)動的。在20世紀(jì)20年代，量子論顯示一個(gè)系統(tǒng)相隔遙遠(yuǎn)的不同組成部分能夠瞬時(shí)聯(lián)系。例如，當(dāng)一個(gè)高能光子衰變成兩個(gè)低能光子時(shí)，它們的狀態(tài)（例如，是順時(shí)針或逆時(shí)針自旋）是不定的，直到對它們中間的某一個(gè)作出觀察才確定下來。另一個(gè)粒子看上去感知到它的同伴被進(jìn)行了一次觀測，結(jié)果是任何對第二個(gè)粒子的測量總會得到與對第一個(gè)粒子的測量相一致的結(jié)果。這樣遠(yuǎn)距離的瞬時(shí)聯(lián)系，看起來像是一個(gè)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(shí)的現(xiàn)象。
1993年，加利福尼亞大學(xué)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(jiān)實(shí)的墻上踢一個(gè)足球，牛頓力學(xué)預(yù)言它會被彈會，但量子力學(xué)預(yù)言它還有極小的可能出現(xiàn)在墻的另一面?？紤]這種情況的一種途徑，是想象它能“借”到足夠的能量穿越墻壁，并在到達(dá)另一面之后立即將能量歸還。這并不違反物理定律，因?yàn)樽罱K能量、動量和其它屬性都得到了保存。德國物理學(xué)家維納·海森堡的測不準(zhǔn)原理表明，在一個(gè)系統(tǒng)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(xué)原理允許系統(tǒng)利用這種不確定性，短時(shí)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(xiàn)的需要幾乎可以忽略不計(jì)，障礙物可以任意的厚——不過隨著厚度增加，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(shí)間，證明了隧穿“超光速”隧穿效應(yīng)的存在。為此，他讓這些光子與在相似時(shí)間內(nèi)穿過真空的光子進(jìn)行比較。結(jié)果隧穿光子先到達(dá)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(shù)大學(xué)的Ferenc Kraus表明，隧穿時(shí)間有一個(gè)不依賴于障礙物厚度的上限，這表示光子隧穿障礙物的時(shí)間沒有上限。德國科隆大學(xué)的Gunter Nimtz也用微波實(shí)現(xiàn)了這種“超光速”。他甚至把莫扎特第40號交響曲調(diào)制在信號上，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(jìn)——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?yàn)橄鄬φ撍沟膶?shí)際上是信息的超光速傳輸。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明兩個(gè)量子物體之間的“瞬時(shí)聯(lián)系”不能用來傳遞信息。隧穿效應(yīng)也受到同樣的限制。這是由于量子理論是一種內(nèi)在統(tǒng)計(jì)規(guī)律，它依賴于大量粒子群體的性質(zhì)。因此幾個(gè)光子超越時(shí)間是不能用于傳遞信息的。隧穿效應(yīng)使輸入的波形變形，使之產(chǎn)生一個(gè)可能比預(yù)期時(shí)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(gè)波包傳送，后者不會運(yùn)動得比光快。對隧穿效應(yīng)的謹(jǐn)慎分析結(jié)果，似乎支持信號的信息內(nèi)容仍受到光速限制的說法，盡管這仍是一個(gè)有爭議的話題。
信息傳遞的這一速度限制保護(hù)了因果律，即一個(gè)事件的結(jié)果不能比該事件更早發(fā)生。如果不是這樣，以不同速度運(yùn)動的觀察者將永遠(yuǎn)不會對一系列特定相關(guān)事件的順序得出相同的結(jié)論。有的人可能打了一個(gè)茶杯，看到它的碎片四散開來，另一個(gè)觀察者卻可能先看到碎片，然后才看到茶杯落下。如果沒有信息傳遞速
度的這個(gè)限制，宇宙看起來會非常的古怪。
盡管在真空里不可能使一個(gè)有質(zhì)量的粒子運(yùn)動得比光更快，在“折射率”超過1的物質(zhì)內(nèi)部，就不是這樣。例如在水里，光運(yùn)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(shí)在300年前就被人發(fā)現(xiàn)。它能夠解釋光的折射和散射，這也是所有光學(xué)儀器背后的原理。折射的產(chǎn)生，是因?yàn)楣庾?/span>——組成光的獨(dú)立能量單位——與原子內(nèi)部的電子產(chǎn)生相互作用。光子在原子之間以全速運(yùn)行，但在穿過材料的過程中反復(fù)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。于是，像高能電子這樣的粒子在水中完全可能比光在同一介質(zhì)中運(yùn)動得快。這種情況下，它們產(chǎn)生電磁波，后者的運(yùn)動速度沒有
粒子快，就會沿運(yùn)動方向聚集形成一個(gè)劇烈的沖擊波，這與超音速飛機(jī)產(chǎn)生音爆的機(jī)理相同。物質(zhì)介質(zhì)中運(yùn)動得比光快的粒子產(chǎn)生的這種輻射稱為切倫科夫輻射，常用于檢測其它運(yùn)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(shè)施中裝滿水的巨大探測器里尋找中微子。
大多數(shù)物質(zhì)不會使光速明顯變慢，在一般物質(zhì)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(xué)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(dāng)然，她的研究小組所用的不是普通材料，而是處于所謂（繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)之后的）第五種物
質(zhì)狀態(tài)：玻色－愛因斯坦凝聚態(tài)的物質(zhì)。
這種非同尋常的物質(zhì)由一團(tuán)原子云組成，這團(tuán)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(shí)質(zhì)是一個(gè)單一的量子物體，有點(diǎn)像一個(gè)巨大的原子，其中所有的原子都處在同一量子態(tài)上，以同樣方式運(yùn)動，仿佛它們就是一個(gè)物體。
使光速變慢的技巧，在于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(shí)，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(gè)電子，探測光與這個(gè)電子之間的相互作用對這一過程非常關(guān)鍵。當(dāng)一個(gè)原子從探測光速吸收一個(gè)光子時(shí)，外層電子跳到一個(gè)較高的能級。很短一段時(shí)間之后，它又跌回到原來的能級，釋放出一個(gè)光子。不走運(yùn)的是，這個(gè)過程完全是隨機(jī)的，因此原有光束中所有的信息都丟失了。
測光脈沖頻率不同的組成部分在穿過凝聚物時(shí)速度不同，這樣的結(jié)果是一個(gè)輸入脈沖在鈉原子云中聚成一團(tuán)，緩緩?fù)ㄟ^，其間原子的自旋受脈沖的影響發(fā)生變化。如果耦合光在此時(shí)被撤去，光脈沖（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(shí)質(zhì)上停止了。耦合光再次亮起，凝聚物就重新釋放出光脈沖。
放慢或停止光的腳步，可能在運(yùn)算方面獲得實(shí)際應(yīng)用。物理學(xué)家長久以來一直想制造光計(jì)算機(jī)，利用光速而非電子來傳遞信號、執(zhí)行運(yùn)算。他們還希望造出量子計(jì)算機(jī)，利用原子的量子態(tài)和奇異的量子原理來制造運(yùn)算能力超強(qiáng)的處理器。Hau對付光的技巧還可能幫助科學(xué)家們模擬光在黑洞附近的行為。實(shí)際上，研
究光速也許是解開宇宙最深?yuàn)W秘——那些由光速幫助決定的奧秘——的最佳途徑。
補(bǔ)充１：光的惡作劇和空間中的幻覺
存在許多物體看上去運(yùn)動得比光快的例證。但實(shí)際上它們并不違背相對論原則。例如掃過電視屏幕的電子束所繪出的線，理論上可以運(yùn)動得比光快，這種現(xiàn)象的原因是屏幕上位置連續(xù)的熒光像素由不同的電子激發(fā)。因此實(shí)質(zhì)上并沒有什么東西以比光更快的速度從一點(diǎn)運(yùn)動到下一點(diǎn)，僅僅是因?yàn)樗鼈円阅撤N順序發(fā)出亮光，所以看上去是那樣。
天文學(xué)家在宇宙空間中看到了超光速的幻覺：類星體有時(shí)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(xué)家需要對其位置進(jìn)行兩次測量，以這兩次測量之間的時(shí)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?yàn)閲娏魇侵苯映蛴^察者噴發(fā)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(fā)出的光到達(dá)地球所需的時(shí)間減少了。這使得在兩次觀察的間隔中，噴流運(yùn)動的距離看上去比實(shí)際距離要遠(yuǎn)。
兩位美國天文學(xué)家——埃德溫·哈勃和維斯托·斯里弗在20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)過另一個(gè)幻覺。他們發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹，星系就像爆炸產(chǎn)生的殘骸一樣在彼此遠(yuǎn)離。不過在這一事例中，星系之間距離越遠(yuǎn)，互相分離的速度越大。如果星系之間足夠遠(yuǎn)，它們退行的速度就比光還快。因此如果這種顯而易見的擴(kuò)展是由于星系在空間中奔行所致，相對論關(guān)于沒有物體能運(yùn)行得比光快的原則就被打破了。但事實(shí)上這也是幻覺。星系的超光速運(yùn)動事實(shí)上是星系之間的空間在擴(kuò)張所致。不管人們認(rèn)為他們看到的是什么，光速仍未被超越。
補(bǔ)充2：均勻宇宙中的不均勻光速？
在宇宙學(xué)中，有一個(gè)問題稱為“視界問題”（Horizon Prolem）。光速可能并非一直是它現(xiàn)在這么大。如果它會隨時(shí)間變化，并且在過去曾經(jīng)比現(xiàn)在快得多，就可能幫助解開這個(gè)宇宙學(xué)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(yuǎn)的區(qū)域就沒有理由達(dá)到熱平衡。簡單地講，就是因?yàn)闆]有任何東西——包括熱——能夠在大爆炸發(fā)生以后的時(shí)間里走完這段距離。而如果兩個(gè)區(qū)域不能交換熱量，它們也就不會達(dá)到相同溫度。
然而，宇宙在大尺度上是相當(dāng)均勻的，因此過去其中必然存在某種聯(lián)系，對此聽起來最合乎情理的解釋稱為暴脹理論。該理論認(rèn)為，在非常早的時(shí)候，在哈脖發(fā)現(xiàn)的那種從容不迫的擴(kuò)張開始之前，宇宙曾經(jīng)歷了一段指數(shù)擴(kuò)張的時(shí)期。
但這種迅速的暴脹面臨著它自己的光速問題，這促使物理學(xué)家們想到，早期宇宙中的光速可能與現(xiàn)在不同。如果光速過去曾比現(xiàn)在快得多，就會允許“視界”擴(kuò)散得更遠(yuǎn)，從而可以達(dá)成熱平衡。
這一大膽理論是否能被融進(jìn)其它物理理論，現(xiàn)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(jù)著核心地位
Steve Adams是英國Shrewsbury School的科學(xué)及物理學(xué)負(fù)責(zé)人。
