本文經(jīng)授權(quán)摘編自《看不見的光》

撰文：鮑勃·伯曼

譯文：雍寅

我們已經(jīng)知道，作為量子的光子有一個(gè)非常奇特的性質(zhì)——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(gè)更加不可思議的特點(diǎn)。光帶來的許多神奇效應(yīng)都與其速度有關(guān)，這或許是科學(xué)領(lǐng)域中最著名的速度。要知道，高速運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)大的萬有引力會(huì)促使很多奇妙的現(xiàn)象出現(xiàn)，這些因素既會(huì)影響光，也會(huì)影響其他事物。例如，在超高速運(yùn)動(dòng)的情況下，時(shí)間會(huì)減慢（如果你從事的是一份很無聊的工作，那這可不是什么好事），距離會(huì)縮短。這個(gè)現(xiàn)象被稱為“時(shí)間膨脹”，科幻作品經(jīng)常提及。例如，2014年轟動(dòng)一時(shí)的電影《星際穿越》（Interstellar）中就有這樣的情節(jié)，在外星球表面的宇航員只經(jīng)歷了幾個(gè)小時(shí)的旅程，而他們?nèi)栽诘厍蜍壍郎系耐聟s老了幾十歲。不過，人們對(duì)物體之間距離縮短的現(xiàn)象似乎沒什么熱情。

19世紀(jì)末，洛倫茲率先提出了一個(gè)著名的關(guān)系式，以此點(diǎn)明時(shí)間和空間沒有可以界定的邊界。幾年后，愛因斯坦在解釋這個(gè)問題時(shí)采用了同樣的數(shù)學(xué)方法，于是反映時(shí)間空間具體變化的關(guān)系仍然被稱為洛倫茲變換。從這組關(guān)系式可以推算出一些驚人的結(jié)果。例如，如果你以99%的光速運(yùn)動(dòng)，那么宇宙會(huì)突然變成現(xiàn)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(huì)瞬間離你只有2光年遠(yuǎn)，你在有生之年還有希望到達(dá)那里；以這樣的速度運(yùn)動(dòng)，客廳會(huì)縮小到不足1米寬。

如果你的速度再快一點(diǎn)，就會(huì)出現(xiàn)更神奇的效果。假設(shè)你乘坐的火箭以 99.9999999%的光速行駛，膨脹系數(shù)為22361，那么當(dāng)火箭上的時(shí)間走過1年之后，地球已經(jīng)經(jīng)歷了223個(gè)世紀(jì)。不僅如此，任何距離都會(huì)按照同樣的比例縮小。1年之內(nèi)你就能到達(dá)銀河系的中心，而乘坐當(dāng)今最快的火箭到達(dá)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(huì)大大地拓展開來。你可以將下次聚會(huì)的地點(diǎn)選在銀河系中心的黑洞附近。

然而可惜的是，到了那時(shí)就沒人陪你玩了。地球上的時(shí)間依舊按照原來的速率流逝。等你再回來的時(shí)候，聚會(huì)就真的結(jié)束了。你只經(jīng)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(huì)徹底改變，人類的風(fēng)俗語言可能已經(jīng)變得讓你無法理解，甚至某些物種都已演化。你會(huì)成為真正意義上的“趕不上時(shí)代的人”，比起時(shí)尚的流行變遷，眼前的一切更加超乎你的想象，沒被當(dāng)成怪物關(guān)進(jìn)動(dòng)物園就算是幸運(yùn)的了。

說到接近光速時(shí)空間和時(shí)間發(fā)生的變化，為了讓一切簡(jiǎn)單而直觀，你要記 住，對(duì)你來說時(shí)間總是正常地流逝，永遠(yuǎn)不會(huì)改變。如果你有幸活到85歲高齡， 那么不管運(yùn)動(dòng)的速度如何，你經(jīng)歷的都是實(shí)實(shí)在在的85年。只不過用天文望遠(yuǎn)鏡觀察你的那些人變老的程度會(huì)有所不同，在他們眼中你老得很慢，即使你自己并沒有這樣的感覺。關(guān)鍵在于，時(shí)間流逝得不太正常的總是“別人”，絕對(duì)不會(huì)是你自己。

但是你確實(shí)會(huì)感受到空間縮小了。以接近光的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，你與前方目的地的距離的確縮短了，所以你能更快地到達(dá)那里。此外，在接近光速的情況下，無論你的火箭指引向哪里，宇宙中的一切物質(zhì)看起來都位于正前方。

這里要解釋一下：這是行差原理。在雨中快步行走時(shí)，我們需要將傘向前傾斜一些才能避免淋濕；在暴風(fēng)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，后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(xiàn)了偏差。光也會(huì)發(fā)生類似的現(xiàn)象。地球以每秒29.78千米的速度繞太陽運(yùn)動(dòng)，我們身在地球，公轉(zhuǎn)改變了夜空中星星的位置，讓它們稍稍偏離了本該出現(xiàn)的地方。如果公轉(zhuǎn)速度加快，那么這種效果還會(huì)加劇。如果這個(gè)速度一直增加，那么在逼近光速度時(shí)，宇宙中的一切物質(zhì)看起來都位于我們的正前方。此時(shí)，從火箭的前擋風(fēng)玻璃望出去，我們看到的是一顆耀眼的“星星”，實(shí)際上那是宇宙中所有物質(zhì)聚集起來形成的一個(gè)明亮的球；從后窗望去，我們看到的是一片漆黑，此時(shí)空間已經(jīng)嚴(yán)重變形，以至于在這個(gè)方向上什么都沒有。

簡(jiǎn)而言之，由于我們自身的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，星星的位置才會(huì)被改變！

光就像一位充滿幻想、技藝精湛的魔術(shù)師。它在真空中的傳播速度為每秒 299792458米，我們通常提到的光速就是這個(gè)數(shù)字。介質(zhì)的密度越高，光傳播的速度就越慢。在玻璃中，光速約為每秒200000000米；在水中，光速約為每秒255000000米。所以，陽光透過窗格射入人眼的過程是這樣的：在經(jīng)過玻璃的時(shí)候，光會(huì)突然變慢，穿過玻璃之后，又會(huì)立刻加速。光在鉆石中的速度是最慢的，不同顏色的可見光在鉆石中的穿行速度各不相同。正是這種速度的差異造就了鉆石璀璨晶瑩、光彩奪目的外觀。

盡管嘗試過很多次，可是直到幾個(gè)世紀(jì)前才有人計(jì)算出了光速。它實(shí)在是太快了，難以測(cè)量。意志堅(jiān)定的“自然哲學(xué)家們”（當(dāng)時(shí)人們都這樣稱呼科學(xué)家）可不是沒有努力研究、勇往直前過。1629年，荷蘭科學(xué)家艾薩克·比克曼（Isaac Beeckman）想了個(gè)辦法，在距離火藥遠(yuǎn)近不同的地方分別放置幾面大鏡子。他點(diǎn)燃火藥，讓助手們同時(shí)觀察火藥發(fā)出的強(qiáng)光和鏡子反射的光。因?yàn)楣饨?jīng)過鏡面反射到達(dá)人眼需要走過更長(zhǎng)的距離，所以火藥的光和反射的光之間存在時(shí)間差。那么他們捕捉到兩次閃光之間的延遲了嗎？當(dāng)然沒有。 

3年后，伽利略也向這項(xiàng)任務(wù)發(fā)起了挑戰(zhàn)。這位蓄著古怪胡子的天才站在一 個(gè)山頂上，他讓助手拿著一盞燈，站在約1.6千米以外的另一個(gè)山頂上。伽利略打開手中的燈，當(dāng)助手看到他的燈光時(shí)，立即打開自己的燈。然后，伽利略記錄下他看到助手做出“回應(yīng)”所需要的時(shí)間。通過測(cè)量時(shí)間和兩燈之間的距離，便可以確定光速。

事實(shí)上，光在兩個(gè)山頂之間往返的時(shí)間大約為二十萬分之一秒。伽利略啊，你自求多福吧。他總結(jié)道：“即便不是瞬時(shí)的，（光的）速度也是極其快的。”最后他斷定，光的傳播速度至少比聲音快了10倍。（其實(shí)是近100萬倍，因?yàn)槁曇粼?秒鐘內(nèi)傳播的距離大約只有340米。） 

丹麥天文學(xué)家奧勒·羅默（Ole R?mer）最終得到了第一臺(tái)還算過得去的光速測(cè)量?jī)x器——這回總算是不用上山跋涉了。1675年，31歲的他解釋了為什么每當(dāng)?shù)厍虺拘沁\(yùn)動(dòng)，木星的4顆巨型衛(wèi)星都仿佛在其軌道上莫名地加速的現(xiàn)象。他認(rèn)為這是合理的，因?yàn)樵诖藭r(shí)，木星和地球之間的距離比之前更近，木星衛(wèi)星的光到達(dá)我們眼睛所花的時(shí)間變短，所以我們覺得它們?cè)谀拘侵車\(yùn)動(dòng)得更快了，那畫風(fēng)就像快放的卓別林電影?？上Я_默不知道地球和木星之間的精確距離，盡管如此，他計(jì)算出的光速誤差仍在25%以內(nèi)。 

我們現(xiàn)在用來測(cè)定光速的儀器最早是由法國(guó)科學(xué)家萊昂·傅科（Léon Foucault）在19世紀(jì)中葉發(fā)明的。它的工作原理是先將光束打在一面快速旋轉(zhuǎn)的鏡子上，讓它反射到遠(yuǎn)處固定的鏡子，然后再反射回來。在光傳播的過程中，旋轉(zhuǎn)的鏡面會(huì)略微改變它的角度，使得最終反射回來的光產(chǎn)生些許位置的變化。已知鏡子的轉(zhuǎn)速（傅科的鏡子轉(zhuǎn)速為每秒500轉(zhuǎn)）以及各個(gè)鏡子之間的距離，再加上從光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的分度尺上讀取的光路偏移量，就可以確定光速，結(jié)果可以精確到百萬分之一。我也親自測(cè)量過，現(xiàn)在的科研人員基本上都做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

光速確實(shí)超級(jí)快，但是我們已經(jīng)知道了它的具體數(shù)值，它并非大得沒邊兒。要是此時(shí)此刻，古希臘人也能與我們分享這個(gè)小小的奇跡就好了——我們測(cè)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(shí)間， 它的4顆衛(wèi)星在其軌道上的運(yùn)行速度看起來比另外半年要快。1675年，丹麥天文學(xué)家奧勒·羅 默利用這一特殊現(xiàn)象，在一定的精度范圍內(nèi)確定了光速。| 圖源：美國(guó)國(guó)家航空航天局/噴 氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室

我們將光速引入現(xiàn)代技術(shù)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，從中得到了不少新的發(fā)現(xiàn)。例如，一些大學(xué)的研究項(xiàng)目向阿波羅宇航員在月球留下的三面反射鏡發(fā)射激光，人們發(fā)現(xiàn)，反射回來的光總有2.5秒左右的延遲。精確的測(cè)量結(jié)果還能讓我們計(jì)算出月球與地球之間距離的變化，而且誤差不超過2.5厘米。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，月球正在以每年3.8厘米的速度不斷遠(yuǎn)離我們。

想象自己騎在一個(gè)光子上吧。借著光速，我們?cè)?秒鐘里就可以繞地球轉(zhuǎn)上8圈。只要1個(gè)小時(shí)，我們就能到達(dá)木星。但是要想前往最近的恒星（比鄰星），我們還需要騎著光子跑上4.3年。唉——要是想去最近的螺旋星系，我們必須乘著光速前進(jìn)250萬年。

時(shí)間縮短了又會(huì)怎么樣呢？如果我們以光速行走千分之一秒會(huì)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(gè)足球場(chǎng)。以光速行走十億分之一秒，我們就前行了30厘米。

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

因?yàn)?/span>圖像或者信息傳遞的速度不能超越光速，所以我們永遠(yuǎn)也無法獲知宇宙中各個(gè)地方的最新情報(bào)。事實(shí)上，我們一般也不會(huì)做出這方面的嘗試。相反，我們把“信息到達(dá)人眼的瞬間”定義為“現(xiàn)在”。我們會(huì)說：“看看木星和土星在夜空中擦身而過的畫面吧！”而不會(huì)特地補(bǔ)充一句：“看看我們剛剛接收到的它們1小時(shí)前擦身而過的畫面。”

如果看得更遠(yuǎn)的話，我們眼中的事物和實(shí)際情況間的差距會(huì)更大。當(dāng)我們 能看到138億光年之外的地方時(shí)，我們就差不多看到了宇宙誕生之初的畫面。那里是可觀察到的現(xiàn)實(shí)的邊界，在這個(gè)邊界之外，我們什么都看不見，什么也沒法知道。

這個(gè)極限速度是無法突破的。我們觀察渦狀星系中的恒星時(shí)，只能看到它 們3500萬年前的樣子，沒有辦法了解它們當(dāng)前的狀態(tài)。如果此刻渦狀星系中有外星人在用超級(jí)望遠(yuǎn)鏡觀察我們，那么它們是看不到人類社會(huì)的，因?yàn)橹钡?300萬年前，地球上才出現(xiàn)人類。用不可見光來進(jìn)行探測(cè)也無濟(jì)于事。無線電和電視信號(hào)，還有探測(cè)人體溫度的紅外線都會(huì)面臨同樣的限制，因?yàn)樗鼈円彩且怨馑賯鞑サ?。正因如此，?dāng)下沒有任何技術(shù)或者手段能讓我們提前接收外星文明發(fā)來的激光或者無線電信號(hào)。

光速最有趣的一面可能在于，對(duì)于光子來說，時(shí)間是完全凍結(jié)的。如果你能擁有它的速度，就會(huì)立刻感覺自己在宇宙中無所不在。

這是因?yàn)楣獾膫鞑ヅc我們的運(yùn)動(dòng)方式完全不同。我們覺得自己運(yùn)動(dòng)時(shí)同時(shí)經(jīng)歷了時(shí)間和空間的變化。而我們坐著不動(dòng)，相對(duì)于周圍物體不發(fā)生空間位移 的時(shí)候，我們?nèi)匀灰?jīng)歷一天的24個(gè)小時(shí)，即使我們也不希望時(shí)間過去。運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們的空間位置會(huì)變化，時(shí)間也在流逝。我們運(yùn)動(dòng)得越快，穿過的空間就越大，消耗的時(shí)間則會(huì)減少。事實(shí)上，仔細(xì)想想，這是件令人驚訝的事，因?yàn)閺呐杂^者的角度看，我們的時(shí)間變慢了。以接近光的速度運(yùn)動(dòng)，我們就能在極其遼闊的空間里漫游，卻幾乎不需要花什么時(shí)間。你穿過的空間越多，經(jīng)歷的時(shí)間就越少。你無法做到既穿過大片的空間又耗費(fèi)大量的時(shí)間。愛因斯坦的理論要指出的正是這個(gè)，盡管那之后的一個(gè)世紀(jì)，大多數(shù)人仍然沒能領(lǐng)會(huì)到它的深遠(yuǎn)意義。

光就是這種現(xiàn)象最極端的表現(xiàn)。光子只會(huì)在空間產(chǎn)生位移，根本不會(huì)耗費(fèi)時(shí)間。因此，它們不花時(shí)間就能穿越整個(gè)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(jī)對(duì)準(zhǔn)窗外的天空，那么在閃光燈亮起的瞬間，光就已經(jīng)沿著它的方向到達(dá)了宇宙的另一端。

這確實(shí)非常奇怪又難以想象。然而，不論誰來觀測(cè)，光總是以恒定的速度運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，它比我們?cè)?jīng)認(rèn)為精準(zhǔn)無比的東西（例如時(shí)鐘）更加可靠。難怪《圣經(jīng)》開篇就寫了“要有光”，東方也有宗教將終極現(xiàn)實(shí)稱為“凈 光”（clear light）。經(jīng)師們可能隱約察覺到，光所屬的領(lǐng)域，要比我們?nèi)粘Ｉ钏幍臅r(shí)空更加穩(wěn)定。

總有一天，我們會(huì)弄清楚如何利用光速扭曲時(shí)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于，等你回來的時(shí)候，地球早已經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歲月。你的子孫后代可能早已經(jīng)進(jìn)化，不再是你所認(rèn)識(shí)的人類。不會(huì)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(jīng)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(xué)定律的前提下，你不僅到達(dá)了遙不可及的地方，還活著見證了地球的千秋萬代。不過，或許你會(huì)做出更明智的選擇：永遠(yuǎn)不再回來。