來源：《看不見的光》

我們已經知道，作爲量子的光子有一個非常奇特的性質——如果沒有觀察者，光就不存在。然而，無論是可見光還是不可見光，光還有一個更加不可思議的特點。光帶來的許多神奇效應都與其速度有關，這或許是科學領域中最著名的速度。要知道，高速運動和強大的萬有引力會促使很多奇妙的現象出現，這些因素既會影響光，也會影響其他事物。例如，在超高速運動的情況下，時間會減慢（如果你從事的是一份很無聊的工作，那這可不是什麼好事），距離會縮短。這個現象被稱爲“時間膨脹”，科幻作品經常提及。例如，2014年轟動一時的電影《星際穿越》（Interstellar）中就有這樣的情節，在外星球表面的宇航員只經歷了幾個小時的旅程，而他們仍在地球軌道上的同事卻老了幾十歲。不過，人們對物體之間距離縮短的現象似乎沒什麼熱情。

19世紀末，洛倫茲率先提出了一個著名的關係式，以此點明時間和空間沒有可以界定的邊界。幾年後，愛因斯坦在解釋這個問題時採用了同樣的數學方法，於是反映時間空間具體變化的關係仍然被稱爲洛倫茲變換。從這組關係式可以推算出一些驚人的結果。例如，如果你以99%的光速運動，那麼宇宙會突然變成現在的1/7 ；原本距離你14光年的星星（例如，夏季大三角中的牛郎星）會瞬間離你只有2光年遠，你在有生之年還有希望到達那裏；以這樣的速度運動，客廳會縮小到不足1米寬。

如果你的速度再快一點，就會出現更神奇的效果。假設你乘坐的火箭以 99.9999999%的光速行駛，膨脹係數爲22361，那麼當火箭上的時間走過1年之後，地球已經經歷了223個世紀。不僅如此，任何距離都會按照同樣的比例縮小。1年之內你就能到達銀河系的中心，而乘坐當今最快的火箭到達銀河系中心則至少需要4億年。有如此廣闊的天地任你馳騁，你的社交圈也會大大地拓展開來。你可以將下次聚會的地點選在銀河系中心的黑洞附近。

然而可惜的是，到了那時就沒人陪你玩了。地球上的時間依舊按照原來的速率流逝。等你再回來的時候，聚會就真的結束了。你只經歷了兩年，老了兩歲，地球卻度過了近5萬年的歲月。全世界的地形地貌會徹底改變，人類的風俗語言可能已經變得讓你無法理解，甚至某些物種都已演化。你會成爲真正意義上的“趕不上時代的人”，比起時尚的流行變遷，眼前的一切更加超乎你的想象，沒被當成怪物關進動物園就算是幸運的了。

說到接近光速時空間和時間發生的變化，爲了讓一切簡單而直觀，你要記 住，對你來說時間總是正常地流逝，永遠不會改變。如果你有幸活到85歲高齡， 那麼不管運動的速度如何，你經歷的都是實實在在的85年。只不過用天文望遠鏡觀察你的那些人變老的程度會有所不同，在他們眼中你老得很慢，即使你自己並沒有這樣的感覺。關鍵在於，時間流逝得不太正常的總是“別人”，絕對不會是你自己。

但是你確實會感受到空間縮小了。以接近光的速度運動時，你與前方目的地的距離的確縮短了，所以你能更快地到達那裏。此外，在接近光速的情況下，無論你的火箭指引向哪裏，宇宙中的一切物質看起來都位於正前方。

這裏要解釋一下：這是行差原理。在雨中快步行走時，我們需要將傘向前傾斜一些才能避免淋溼；在暴風雪中駕車行駛的過程中，雪片給人的感覺好像是從正前方直接打過來的，後車窗似乎完全接觸不到雪。這些都是行差的例子， 它是指物體的位置出現了偏差。光也會發生類似的現象。地球以每秒29.78千米的速度繞太陽運動，我們身在地球，公轉改變了夜空中星星的位置，讓它們稍稍偏離了本該出現的地方。如果公轉速度加快，那麼這種效果還會加劇。如果這個速度一直增加，那麼在逼近光速度時，宇宙中的一切物質看起來都位於我們的正前方。此時，從火箭的前擋風玻璃望出去，我們看到的是一顆耀眼的“星星”，實際上那是宇宙中所有物質聚集起來形成的一個明亮的球；從後窗望去，我們看到的是一片漆黑，此時空間已經嚴重變形，以至於在這個方向上什麼都沒有。

簡而言之，由於我們自身的公轉運動，星星的位置纔會被改變！

光就像一位充滿幻想、技藝精湛的魔術師。它在真空中的傳播速度爲每秒 299792458米，我們通常提到的光速就是這個數字。介質的密度越高，光傳播的速度就越慢。在玻璃中，光速約爲每秒200000000米；在水中，光速約爲每秒255000000米。所以，陽光透過窗格射入人眼的過程是這樣的：在經過玻璃的時候，光會突然變慢，穿過玻璃之後，又會立刻加速。光在鑽石中的速度是最慢的，不同顏色的可見光在鑽石中的穿行速度各不相同。正是這種速度的差異造就了鑽石璀璨晶瑩、光彩奪目的外觀。

儘管嘗試過很多次，可是直到幾個世紀前纔有人計算出了光速。它實在是太快了，難以測量。意志堅定的“自然哲學家們”（當時人們都這樣稱呼科學家）可不是沒有努力研究、勇往直前過。1629年，荷蘭科學家艾薩克·比克曼（Isaac Beeckman）想了個辦法，在距離火藥遠近不同的地方分別放置幾面大鏡子。他點燃火藥，讓助手們同時觀察火藥發出的強光和鏡子反射的光。因爲光經過鏡面反射到達人眼需要走過更長的距離，所以火藥的光和反射的光之間存在時間差。那麼他們捕捉到兩次閃光之間的延遲了嗎？當然沒有。 

3年後，伽利略也向這項任務發起了挑戰。這位蓄着古怪鬍子的天才站在一 個山頂上，他讓助手拿着一盞燈，站在約1.6千米以外的另一個山頂上。伽利略打開手中的燈，當助手看到他的燈光時，立即打開自己的燈。然後，伽利略記錄下他看到助手做出“回應”所需要的時間。通過測量時間和兩燈之間的距離，便可以確定光速。

事實上，光在兩個山頂之間往返的時間大約爲二十萬分之一秒。伽利略啊，你自求多福吧。他總結道：“即便不是瞬時的，（光的）速度也是極其快的。”最後他斷定，光的傳播速度至少比聲音快了10倍。（其實是近100萬倍，因爲聲音在1秒鐘內傳播的距離大約只有340米。） 

丹麥天文學家奧勒·羅默（Ole Rømer）最終得到了第一臺還算過得去的光速測量儀器——這回總算是不用上山跋涉了。1675年，31歲的他解釋了爲什麼每當地球朝着木星運動，木星的4顆巨型衛星都彷彿在其軌道上莫名地加速的現象。他認爲這是合理的，因爲在此時，木星和地球之間的距離比之前更近，木星衛星的光到達我們眼睛所花的時間變短，所以我們覺得它們在木星周圍運動得更快了，那畫風就像快放的卓別林電影。可惜羅默不知道地球和木星之間的精確距離，儘管如此，他計算出的光速誤差仍在25%以內。 

我們現在用來測定光速的儀器最早是由法國科學家萊昂·傅科（Léon Foucault）在19世紀中葉發明的。它的工作原理是先將光束打在一面快速旋轉的鏡子上，讓它反射到遠處固定的鏡子，然後再反射回來。在光傳播的過程中，旋轉的鏡面會略微改變它的角度，使得最終反射回來的光產生些許位置的變化。已知鏡子的轉速（傅科的鏡子轉速爲每秒500轉）以及各個鏡子之間的距離，再加上從光學檢測設備的分度尺上讀取的光路偏移量，就可以確定光速，結果可以精確到百萬分之一。我也親自測量過，現在的科研人員基本上都做過這個實驗。

光速確實超級快，但是我們已經知道了它的具體數值，它並非大得沒邊兒。要是此時此刻，古希臘人也能與我們分享這個小小的奇蹟就好了——我們測出了宇宙中的極限速度！

在太陽系諸行星中，木星周圍的輻射水平最高。奇怪的是，一年中有一半的時間， 它的4顆衛星在其軌道上的運行速度看起來比另外半年要快。1675年，丹麥天文學家奧勒·羅 默利用這一特殊現象，在一定的精度範圍內確定了光速。| 圖源：美國國家航空航天局/噴 氣推進實驗室

我們將光速引入現代技術和科學實驗，從中得到了不少新的發現。例如，一些大學的研究項目向阿波羅宇航員在月球留下的三面反射鏡發射激光，人們發現，反射回來的光總有2.5秒左右的延遲。精確的測量結果還能讓我們計算出月球與地球之間距離的變化，而且誤差不超過2.5釐米。實驗結果表明，月球正在以每年3.8釐米的速度不斷遠離我們。

想象自己騎在一個光子上吧。藉着光速，我們在1秒鐘裏就可以繞地球轉上8圈。只要1個小時，我們就能到達木星。但是要想前往最近的恆星（比鄰星），我們還需要騎着光子跑上4.3年。唉——要是想去最近的螺旋星系，我們必須乘着光速前進250萬年。

時間縮短了又會怎麼樣呢？如果我們以光速行走千分之一秒會怎樣？那我們就從紐約來到了華盛頓。以光速行走百萬分之一秒，我們就可以穿過3個足球場。以光速行走十億分之一秒，我們就前行了30釐米。

這些數據很有意思，它們說明在觀察距離你一兩米開外的物體時，你看到 的其實是它們十億分之幾秒之前的樣子。例如，當你觀察坐在房間另一頭（6米之外）的一個朋友時，看到的並不是她此時此刻的樣子，而是她在億分之二秒之前的狀態。

因爲圖像或者信息傳遞的速度不能超越光速，所以我們永遠也無法獲知宇宙中各個地方的最新情報。事實上，我們一般也不會做出這方面的嘗試。相反，我們把“信息到達人眼的瞬間”定義爲“現在”。我們會說：“看看木星和土星在夜空中擦身而過的畫面吧！”而不會特地補充一句：“看看我們剛剛接收到的它們1小時前擦身而過的畫面。”

如果看得更遠的話，我們眼中的事物和實際情況間的差距會更大。當我們 能看到138億光年之外的地方時，我們就差不多看到了宇宙誕生之初的畫面。那裏是可觀察到的現實的邊界，在這個邊界之外，我們什麼都看不見，什麼也沒法知道。

這個極限速度是無法突破的。我們觀察渦狀星系中的恆星時，只能看到它 們3500萬年前的樣子，沒有辦法瞭解它們當前的狀態。如果此刻渦狀星系中有外星人在用超級望遠鏡觀察我們，那麼它們是看不到人類社會的，因爲直到3300萬年前，地球上纔出現人類。用不可見光來進行探測也無濟於事。無線電和電視信號，還有探測人體溫度的紅外線都會面臨同樣的限制，因爲它們也是以光速傳播的。正因如此，當下沒有任何技術或者手段能讓我們提前接收外星文明發來的激光或者無線電信號。

光速最有趣的一面可能在於，對於光子來說，時間是完全凍結的。如果你能擁有它的速度，就會立刻感覺自己在宇宙中無所不在。

這是因爲光的傳播與我們的運動方式完全不同。我們覺得自己運動時同時經歷了時間和空間的變化。而我們坐着不動，相對於周圍物體不發生空間位移 的時候，我們仍然要經歷一天的24個小時，即使我們也不希望時間過去。運動時，我們的空間位置會變化，時間也在流逝。我們運動得越快，穿過的空間就越大，消耗的時間則會減少。事實上，仔細想想，這是件令人驚訝的事，因爲從旁觀者的角度看，我們的時間變慢了。以接近光的速度運動，我們就能在極其遼闊的空間裏漫遊，卻幾乎不需要花什麼時間。你穿過的空間越多，經歷的時間就越少。你無法做到既穿過大片的空間又耗費大量的時間。愛因斯坦的理論要指出的正是這個，儘管那之後的一個世紀，大多數人仍然沒能領會到它的深遠意義。

光就是這種現象最極端的表現。光子只會在空間產生位移，根本不會耗費時間。因此，它們不花時間就能穿越整個宇宙，也就是說，從它們的角度來看，根本不存在距離上的分隔。如果用相機對準窗外的天空，那麼在閃光燈亮起的瞬間，光就已經沿着它的方向到達了宇宙的另一端。

這確實非常奇怪又難以想象。然而，不論誰來觀測，光總是以恆定的速度運動。事實上，它比我們曾經認爲精準無比的東西（例如時鐘）更加可靠。難怪《聖經》開篇就寫了“要有光”，東方也有宗教將終極現實稱爲“淨 光”（clear light）。經師們可能隱約察覺到，光所屬的領域，要比我們日常生活所處的時空更加穩定。

總有一天，我們會弄清楚如何利用光速扭曲時間，去探索更加廣闊的宇宙。這趟穿越廣闊空間的高速旅行唯一的麻煩在於，等你回來的時候，地球早已經歷了漫長的歲月。你的子孫後代可能早已經進化，不再是你所認識的人類。不會再有人被你的笑話逗樂，你離開的記錄早在幾千年前就已經遺失，你也無法用自己的語言和他們正常交流。

這既是好事也是壞事。在不違反任何科學定律的前提下，你不僅到達了遙不可及的地方，還活着見證了地球的千秋萬代。不過，或許你會做出更明智的選擇：永遠不再回來。