光速 Steve Adams

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光速不仅仅是光传播的速度。它是信息传递速度的绝对极限。<br/>它不仅把时间与空间以一种根本的方式联系在一起，还保证未来<br/>不会先于过去发生。因此，听说我们能够止住光的脚步，可能会<br/>让人感到惊讶。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        <p>　　在你阅读这个句子的时间里，迈克尔·舒马赫可以驾着他的<br/>法拉利跑出300米，而光则可以在地球与月亮之间走个来回。光<br/>运动得如此之快，以至于在人类历史的大多数时间里，它被认为<br/>是瞬时传播的。我们现在知道事实当然并非如此，还学会了控制<br/>光的速度。我们可以使光的运动变慢甚至停止，然后轻轻按一下<br/>开关使它重新运动起来。我们可以看到光在一场赛跑中打败它自<br/>己，还可以利用光速来测量宇宙的年纪。它甚至能够决定你有多<br/>高。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　丹麦天文学家罗默（Ole Romer）在17世纪首次成功地计算<br/>出光速。他使用木星的一颗卫星有规律的轨道运动作为计时器，<br/>每次这颗卫星被巨大的行星（木星）所掩食，他便记录下一个<br/>“滴答”。但他发现，从地球上观察，这些滴答的出现并不像预<br/>想的那么规律，在一年之中会时而快几分钟，时而慢几分钟。<input type="image" src="http://www.oursci.org/magazine/200202/15-03.jpg"/><br/>　　罗默计算出，这些时延是木星和地球在绕太阳运动时它们之<br/>间的距离变化所引起的。通过计算一年里地球、木星及其卫星在<br/>轨道上的相对位置，他算出了光穿过宇宙空间的速度。罗默于<br/>1676年向法国科学院提交了他的结果，数值与目前被接受的值之<br/>差不超过30%。<br/><input type="image" src="http://www.oursci.org/magazine/200202/15-04.jpg"/><br/>　　对光之本性的理论探讨也使人们对光速有所了解。19世纪60<br/>年代中期，苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦创建了一组<br/>方程，描述电磁场在空间中的行为。这个方程的一个解表明，电<br/>磁波在真空中必须以约为每秒30万公里的速度传播，与罗默及其<br/>后人的测量结果相当接近。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
% k! H+ W  s3 U& _% q* d. R        </p><p>　　伦敦皇家研究院的迈克尔·法拉第用电场和磁场的概念解释<br/>静电力和磁场力，并表明光会受到磁场影响。这证实了可见光事<br/>实上是电磁波谱中的一部分。对电磁波谱其它部分——微波，红<br/>外线，紫外线，X射线和γ射线——传播速度的直接测量表明，<br/>它们在真空中都有相同的速度。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　用于测量光速的实验不断地变得更精确。到20世纪50年代，<br/>电子计时装置已经取代了古老的机械设备。20世纪80年代，通过<br/>测量激光和频率（f）和波长（λ），运用c=fλ公式计算出了光<br/>速（c）。这些计算以米和秒的标准定义为基础，就像现在一样，<br/>1米定义为氪-86源产生的光的波长的1,650,763.73倍，1秒则定<br/>义为铯-133原子超精细跃迁放出的辐射频率的9,192,631,770倍。<br/>这使得c达到非常高的精度，误差只有十亿分之几。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　1983年，光速取代了米被选作定义标准，约定为<br/>299,792,458米/秒，数值与当时的米定义一致。秒和光速的定义<br/>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<br/>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<br/>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<br/>实上是由光速定义的。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
7 F- I% F/ u- D7 ~  w& Y        </p><p>　　但光速还定义着比长度更加基本的东西。阿尔伯特·爱因斯<br/>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，<br/>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<br/>基本常数。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　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<br/>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<br/>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<br/>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<br/>于运动中的观察者，要么是相对运动力学需要更改。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　爱因斯坦在他1905年发表的狭义相对论里解决了这个问题。<br/>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<br/>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<br/>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<br/>化，强调了光速在物理学中的根本地位。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　想象你在一枚火箭里，与一道激光脉冲一同冲入宇宙空间。<br/>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<br/>运动的速度为多少，譬如光速的99%罢，光线仍以光速超越你。<br/>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<br/>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。<br/><input type="image" src="http://www.oursci.org/magazine/200202/15-02.jpg"/><br/>　　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<br/>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<br/>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<br/>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<br/>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<br/>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<br/>声誉。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
* k: l) @, K1 T) c9 M/ u        </p><p>　　但按照基本力学原理，如果光线偏转，它会被加速。这是否<br/>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<br/>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<br/>变化。然而相对论和光速不变原理不能被抛弃。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p><br/>引力的恶作剧——眼见不为实<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
& s: q) _$ V/ w/ `1 q8 w        </p><p>　　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<br/>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<br/>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<br/>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<br/>员也适用：他们被提及时总是说成时处在“零重力”环境里，但<br/>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<br/>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<br/>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<br/>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，<br/>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<br/>空的大质量物体时，看上去会弯曲和加速。<br/><input type="image" src="http://www.oursci.org/magazine/200202/15-06.jpg"/><br/>　　相对论另一个奇怪的推论是，没有任何物体能加速到光速。<br/>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<br/>速。这是因为物体运动得越快，其动能越大，惯性也越大。爱因<br/>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。<br/>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<br/>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<br/>变得越重，加速的效果也越微弱。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　把单一电子加速到光速，就需要无限的能量，粒子物理学家<br/>们对这一限制深有感触。质子进入美国伊利诺伊州Batawia费米<br/>实验室的Tevatron加速器时，它们的速度已经达到光速的99%。<br/>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<br/>光速的99.99995%，与它们进入加速器的速度相比，提高不足1%。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
& |: i* b2 U; e- T2 \        </p><p>　　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<br/>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<br/>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<br/>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<br/>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。<br/>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<br/>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<br/>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<br/>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<br/>用”，听起来难以置信，但却是真实的现象。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　1993年，加利福尼亚大学伯克利分校的Raymond Chiao表明，<br/>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<br/>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<br/>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<br/>途径，是想象它能“借”到足够的能量穿越墙壁，并在到达另一<br/>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、<br/>动量和其它属性都得到了保存。德国物理学家维纳·海森堡的测<br/>不准原理表明，在一个系统中，总有某些属性——在这一情况中<br/>是能量——的值是不能确定的，因此量子物理学原理允许系统利<br/>用这种不确定性，短时间借到一些额外的能量。在隧穿的情况中，<br/>粒子从障碍物的一面消失又从另一面重现的需要几乎可以忽略不<br/>计，障碍物可以任意的厚——不过随着厚度增加，粒子隧穿的几<br/>率也就迅速地朝零的方向递减。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
/ q; o" I' C3 \+ k        </p><p>　　Chiao通过测量可见光光子通过特定过滤器的隧穿时间，证<br/>明了隧穿“超光速”隧穿效应的存在。为此，他让这些光子与在<br/>相似时间内穿过真空的光子进行比较。结果隧穿光子先到达探测<br/>器，Chiao证明它们穿越过滤器的速度可能为光速的1.7倍。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
$ B- n& p9 o8 g        </p><p>　　1994年，维也纳技术大学的Ferenc Kraus表明，隧穿时间有<br/>一个不依赖于障碍物厚度的上限，这表示光子隧穿障碍物的时间<br/>没有上限。德国科隆大学的Gunter Nimtz也用微波实现了这种<br/>“超光速”。他甚至把莫扎特第40号交响曲调制在信号上，以<br/>4.7倍光速的速度将它传输通过12厘米厚的障碍物。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>全速前进——信息传递的极限<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　上述这些想法看上去都动摇了禁止超光速的相对论原理。然<br/>而它们都没有，因为相对论所禁止的实际上是信息的超光速传输。<br/>实验已经表明两个量子物体之间的“瞬时联系”不能用来传递信<br/>息。隧穿效应也受到同样的限制。这是由于量子理论是一种内在<br/>统计规律，它依赖于大量粒子群体的性质。因此几个光子超越时<br/>间是不能用于传递信息的。隧穿效应使输入的波形变形，使之产<br/>生一个可能比预期时间更早被接收到的波峰。然而，信息不是由<br/>单一波峰携带的，而是由整个波包传送，后者不会运动得比光快。<br/>对隧穿效应的谨慎分析结果，似乎支持信号的信息内容仍受到光<br/>速限制的说法，尽管这仍是一个有争议的话题。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
3 C% P' {  `0 D( h        </p><p>　　信息传递的这一速度限制保护了因果律，即一个事件的结果<br/>不能比该事件更早发生。如果不是这样，以不同速度运动的观察<br/>者将永远不会对一系列特定相关事件的顺序得出相同的结论。有<br/>的人可能打了一个茶杯，看到它的碎片四散开来，另一个观察者<br/>却可能先看到碎片，然后才看到茶杯落下。如果没有信息传递速<br/>度的这个限制，宇宙看起来会非常的古怪。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
0 {: M2 l. s: P1 Y        </p><p>　　尽管在真空里不可能使一个有质量的粒子运动得比光更快，<br/>在“折射率”超过1的物质内部，就不是这样。例如在水里，光<br/>运动的速度是其真空速度的60%。光在不同的透明材料里速度会<br/>放慢，这一事实在300年前就被人发现。它能够解释光的折射和<br/>散射，这也是所有光学仪器背后的原理。折射的产生，是因为光<br/>子——组成光的独立能量单位——与原子内部的电子产生相互作<br/>用。光子在原子之间以全速运行，但在穿过材料的过程中反复地<br/>被吸收和重新释放，因此它们所携带的信息传播的速度会下降。<br/>于是，像高能电子这样的粒子在水中完全可能比光在同一介质中<br/>运动得快。这种情况下，它们产生电磁波，后者的运动速度没有<br/>粒子快，就会沿运动方向聚集形成一个剧烈的冲击波，这与超音<br/>速飞机产生音爆的机理相同。物质介质中运动得比光快的粒子产<br/>生的这种辐射称为切伦科夫辐射，常用于检测其它运动得比光快<br/>的不可见粒子，例如在东京宇宙线研究所神岗宇宙粒子研究设施<br/>中装满水的巨大探测器里寻找中微子。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　大多数物质不会使光速明显变慢，在一般物质里，光速可下<br/>降的幅度不超过50%左右。然而，1998年美国哈佛大学的Lene <br/>Vestergaard Hau宣布，她把光速降到了每秒17米。2001年，她<br/>使光完全停止了。当然，她的研究小组所用的不是普通材料，而<br/>是处于所谓（继固态、液态、气态和等离子态之后的）第五种物<br/>质状态：玻色－爱因斯坦凝聚态的物质。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
5 h2 v/ _* ?. }4 ?9 T) N        </p><p>　　这种非同寻常的物质由一团原子云组成，这团原子云冷却到<br/>绝对零度以上百万分之一度，从而形成玻色－爱因斯坦凝聚。它<br/>实质是一个单一的量子物体，有点像一个巨大的原子，其中所有<br/>的原子都处在同一量子态上，以同样方式运动，仿佛它们就是一<br/>个物体。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
7 k; N, P8 x& {4 {# n0 L( v        </p><p>　　使光速变慢的技巧，在于用两束垂直相交的光速照射玻色－<br/>爱因斯坦凝聚体。其中一束携带信息，称为探测光；另一束称为<br/>耦合光。耦合光照射到凝聚体上时，会使它变得完全透明，从而<br/>使探测光能够穿过。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　钠原子的最外层轨道上有一个电子，探测光与这个电子之间<br/>的相互作用对这一过程非常关键。当一个原子从探测光速吸收一<br/>个光子时，外层电子跳到一个较高的能级。很短一段时间之后，<br/>它又跌回到原来的能级，释放出一个光子。不走运的是，这个过<br/>程完全是随机的，因此原有光束中所有的信息都丢失了。<br/><input type="image" src="http://www.oursci.org/magazine/200202/15-05.jpg"/><br/>　　探测光脉冲频率不同的组成部分在穿过凝聚物时速度不同，<br/>这样的结果是一个输入脉冲在钠原子云中聚成一团，缓缓通过，<br/>其间原子的自旋受脉冲的影响发生变化。如果耦合光在此时被撤<br/>去，光脉冲（或至少是其中的信息）就被束缚在原子的自旋方式<br/>里，光束实质上停止了。耦合光再次亮起，凝聚物就重新释放出<br/>光脉冲。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　放慢或停止光的脚步，可能在运算方面获得实际应用。物理<br/>学家长久以来一直想制造光计算机，利用光速而非电子来传递信<br/>号、执行运算。他们还希望造出量子计算机，利用原子的量子态<br/>和奇异的量子原理来制造运算能力超强的处理器。Hau对付光的<br/>技巧还可能帮助科学家们模拟光在黑洞附近的行为。实际上，研<br/>究光速也许是解开宇宙最深奥秘——那些由光速帮助决定的奥秘<br/>——的最佳途径。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
' _8 g7 B! ?- }- |        </p><p><br/>补充１：光的恶作剧和空间中的幻觉<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　存在许多物体看上去运动得比光快的例证。但实际上它们并<br/>不违背相对论原则。例如扫过电视屏幕的电子束所绘出的线，理<br/>论上可以运动得比光快，这种现象的原因是屏幕上位置连续的荧<br/>光像素由不同的电子激发。因此实质上并没有什么东西以比光更<br/>快的速度从一点运动到下一点，仅仅是因为它们以某种顺序发出<br/>亮光，所以看上去是那样。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　天文学家在宇宙空间中看到了超光速的幻觉：类星体有时喷<br/>出看上去速度比光速快得多的喷流。为了测量这些喷流的速度，<br/>天文学家需要对其位置进行两次测量，以这两次测量之间的时间<br/>来推算喷流的速度。但如果这速度比光速快得多，其间是有充分<br/>理由的：因为喷流是直接朝向观察者喷发的。这样，接下来的观<br/>察就必须考虑到气流离观察者更近了，它发出的光到达地球所需<br/>的时间减少了。这使得在两次观察的间隔中，喷流运动的距离看<br/>上去比实际距离要远。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
9 g0 l7 w) [9 O6 V        </p><p>　　两位美国天文学家——埃德温·哈勃和维斯托·斯里弗在20<br/>世纪20年代发现过另一个幻觉。他们发现宇宙在膨胀，星系就像<br/>爆炸产生的残骸一样在彼此远离。不过在这一事例中，星系之间<br/>距离越远，互相分离的速度越大。如果星系之间足够远，它们退<br/>行的速度就比光还快。因此如果这种显而易见的扩展是由于星系<br/>在空间中奔行所致，相对论关于没有物体能运行得比光快的原则<br/>就被打破了。但事实上这也是幻觉。星系的超光速运动事实上是<br/>星系之间的空间在扩张所致。不管人们认为他们看到的是什么，<br/>光速仍未被超越。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p><br/>补充2：均匀宇宙中的不均匀光速？<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
5 K* n4 w/ d5 X* u' o+ \, J' \: m        </p><p>　　在宇宙学中，有一个问题称为“视界问题”（Horizon <br/>rolem）。光速可能并非一直是它现在这么大。如果它会随时间<br/>变化，并且在过去曾经比现在快得多，就可能帮助解开这个宇宙<br/>学之谜。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　如果光速就是任何信号传递速度的上限，宇宙中相距遥远的<br/>区域就没有理由达到热平衡。简单地讲，就是因为没有任何东西<br/>——包括热——能够在大爆炸发生以后的时间里走完这段距离。<br/>而如果两个区域不能交换热量，它们也就不会达到相同温度。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　然而，宇宙在大尺度上是相当均匀的，因此过去其中必然存<br/>在某种联系，对此听起来最合乎情理的解释称为暴胀理论。该理<br/>论认为，在非常早的时候，在哈脖发现的那种从容不迫的扩张开<br/>始之前，宇宙曾经历了一段指数扩张的时期。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　但这种迅速的暴胀面临着它自己的光速问题，这促使物理学<br/>家们想到，早期宇宙中的光速可能与现在不同。如果光速过去曾<br/>比现在快得多，就会允许“视界”扩散得更远，从而可以达成热<br/>平衡。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
        </p><p>　　这一大胆理论是否能被融进其它物理理论，现在还不清楚。<br/>不过它仍表明，在我们对宇宙的理解中，光速占据着核心地位。<font color="#e6e6dd"> www.6park.com</font>
2 T5 f2 m) M; E: H3 J        </p><p>　　Steve Adams是英国Shrewsbury School的科学及物理学负责<br/>人。<br/></p><p></p>