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(xiàn)象出現(xiàn)，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，那這可不是什么好事），距離會縮短。這個現(xiàn)象被稱為“時間膨脹”，科幻作品經(jīng)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(jié)，在外星球表面的宇航員只經(jīng)歷了幾個小時的旅程，而他們?nèi)栽诘厍蜍壍郎系耐聟s老了幾十歲。不過，人們對物體之間距離縮短的現(xiàn)象似乎沒什么熱情。

19世紀末，洛倫茲率先提出了一個著名的關系式，以此點明時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問題時采用了同樣的數(shù)學方法，于是反映時間空間具體變化的關系仍然被稱為洛倫茲變換。從這組關系式可以推算出一些驚人的結(jié)果。例如，如果你以99%的光速運動，那么宇宙會突然變成現(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）會瞬間離你只有2光年遠，你在有生之年還有希望到達那里；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(xiàn)更神奇的效果。假設你乘坐的火箭以 99.9999999%的光速行駛，膨脹系數(shù)為22361，那么當火箭上的時間走過1年之后，地球已經(jīng)經(jīng)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(nèi)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(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徹底改變，人類的風俗語言可能已經(jīng)變得讓你無法理解，甚至某些物種都已演化。你會成為真正意義上的“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(fā)生的變化，為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， 那么不管運動的速度如何，你經(jīng)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，即使你自己并沒有這樣的感覺。關鍵在于，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，我們需要將傘向前傾斜一些才能避免淋濕；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，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動，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，那么這種效果還會加劇。如果這個速度一直增加，那么在逼近光速度時，宇宙中的一切物質(zhì)看起來都位于我們的正前方。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(zhì)聚集起來形成的一個明亮的球；從后窗望去，我們看到的是一片漆黑，此時空間已經(jīng)嚴重變形，以至于在這個方向上什么都沒有。

簡而言之，由于我們自身的公轉(zhuǎn)運動，星星的位置才會被改變！

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為每秒 299792458米，我們通常提到的光速就是這個數(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)過玻璃的時候，光會突然變慢，穿過玻璃之后，又會立刻加速。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，可是直到幾個世紀前才有人計算出了光速。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(fā)出的強光和鏡子反射的光。因為光經(jīng)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。那么他們捕捉到兩次閃光之間的延遲了嗎？當然沒有。 

3年后，伽利略也向這項任務發(fā)起了挑戰(zhàn)。這位蓄著古怪胡子的天才站在一 個山頂上，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。然后，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。（其實是近100萬倍，因為聲音在1秒鐘內(nèi)傳播的距離大約只有340米。） 

丹麥天文學家奧勒·羅默（Ole R?mer）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歲的他解釋了為什么每當?shù)厍虺拘沁\動，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。他認為這是合理的，因為在此時，木星和地球之間的距離比之前更近，木星衛(wèi)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?？上Я_默不知道地球和木星之間的精確距離，盡管如此，他計算出的光速誤差仍在25%以內(nèi)。 

我們現(xiàn)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(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(jié)果可以精確到百萬分之一。我也親自測量過，現(xiàn)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(jīng)知道了它的具體數(shù)值，它并非大得沒邊兒。要是此時此刻，古希臘人也能與我們分享這個小小的奇跡就好了——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(wèi)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(xiàn)象，在一定的精度范圍內(nèi)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(xiàn)代技術和科學實驗，從中得到了不少新的發(fā)現(xiàn)。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(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。精確的測量結(jié)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厘米。實驗結(jié)果表明，月球正在以每年3.8厘米的速度不斷遠離我們。

想象自己騎在一個光子上吧。借著光速，我們在1秒鐘里就可以繞地球轉(zhuǎn)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250萬年。

時間縮短了又會怎么樣呢？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，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，看到的并不是她此時此刻的樣子，而是她在億分之二秒之前的狀態(tài)。

因為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”定義為“現(xiàn)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?！?/span>

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。那里是可觀察到的現(xiàn)實的邊界，在這個邊界之外，我們什么都看不見，什么也沒法知道。

這個極限速度是無法突破的。我們觀察渦狀星系中的恒星時，只能看到它 們3500萬年前的樣子，沒有辦法了解它們當前的狀態(tài)。如果此刻渦狀星系中有外星人在用超級望遠鏡觀察我們，那么它們是看不到人類社會的，因為直到3300萬年前，地球上才出現(xiàn)人類。用不可見光來進行探測也無濟于事。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，因為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(fā)來的激光或者無線電信號。

光速最有趣的一面可能在于，對于光子來說，時間是完全凍結(jié)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。

這是因為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(jīng)歷了時間和空間的變化。而我們坐著不動，相對于周圍物體不發(fā)生空間位移 的時候，我們?nèi)匀灰?jīng)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，因為從旁觀者的角度看，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里漫游，卻幾乎不需要花什么時間。你穿過的空間越多，經(jīng)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，盡管那之后的一個世紀，大多數(shù)人仍然沒能領會到它的深遠意義。

光就是這種現(xiàn)象最極端的表現(xiàn)。光子只會在空間產(chǎn)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，那么在閃光燈亮起的瞬間，光就已經(jīng)沿著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，光總是以恒定的速度運動。事實上，它比我們曾經(jīng)認為精準無比的東西（例如時鐘）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)實稱為“凈 光”（clear light）。經(jīng)師們可能隱約察覺到，光所屬的領域，要比我們?nèi)粘Ｉ钏幍臅r空更加穩(wěn)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于，等你回來的時候，地球早已經(jīng)歷了漫長的歲月。你的子孫后代可能早已經(jīng)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(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。在不違反任何科學定律的前提下，你不僅到達了遙不可及的地方，還活著見證了地球的千秋萬代。不過，或許你會做出更明智的選擇：永遠不再回來。