终极宇宙法则的引人入胜的故事

以下是我们的《迷失时空》时事通讯的摘录。每个月，我们都会深入研究来自宇宙各地的有趣想法。你可以在此注册“迷失时空”。

如果您上过大学水平的物理课，您将会对被要求测量光速有“美好”的回忆 – 如果在几个小时内，您设法将镜子、镜头和光源恰到好处地对齐 – 就会得到每秒不到 3 亿米的答案。它是物理学中的一个基本常数，如果你想了解有关宇宙的任何知识，理解这个常数至关重要。

当我们眺望宇宙时，光是我们唯一的资源——好吧，不完全是我们唯一的资源，但引力波现在能向我们展示的东西相当有限，所以请原谅稍微夸张的说法。实际上，天文学和宇宙学的每一项突破都是基于收集从现实边缘传播了数百万或数十亿年的光。即使是距离我们太阳系最近的恒星发出的光也已经传播了四年多才能到达我们这里。光传播所需的时间可能是物理学中最有用但最不直观的部分之一。

早在我们知道光到底是什么之前，人们就一直在争论光速。几个世纪以来，许多最聪明的人都认为光实际上是从你的眼睛发出的，就像一种灯笼，部分原因是一些动物的眼睛在黑暗中以某些角度发光​​。尽管如此，他们仍然争论光是瞬时传播还是需要时间传播，直到 17 世纪才得到适当的测试。

最早对其进行量化的尝试包括在距离观察者一定距离处放置一盏灯笼，并测量灯笼打开和观察者看到它的光之间的时间差。但这不起作用（伽利略和他的同时代人无法获得结论性的测量，因为观察者离灯笼太近），最终科学家们转向了更复杂和更精确的方法。第一个真正起作用的模型出现在 1675 年，当时 Ole Rømer 正在测量木星卫星 Io 的轨道周期。罗默注意到，随着地球和木星之间的距离随着时间的推移而变化，周期似乎也发生了变化，这完全没有道理——为什么木卫一的轨道与地球的位置有任何关系呢？事实上，它看起来不同只是因为光从木卫一传播到地球所需的时间，当两者靠得更近时，时间更短。他的一位同事克里斯蒂安·惠更斯 (Christiaan Huygens) 进行了数学计算，发现光速约为每秒 220,000,000 米。这不太正确，部分原因是我们还不知道地球运动的细节，但它是在大致范围内，随着科学家开发出更精确的测量技术，估计结果变得更好。到18年中旬^th 20 世纪，测量值与目前公认的真空光速 299,792,458 米每秒的数值相差百分之几。

这就提出了两个问题：为什么光速是一个如此随机的数字，以及为什么会有速度限制？第一个很容易回答：它与我们的单位有关，因为米和秒（或英里和小时，或任何你喜欢使用的日常单位）首先是根据人类对世界的经验来定义的——例如，一英里是一千步——这与基本常数无关。第二个更复杂，它与狭义相对论有关。

我们将在也许是有史以来最著名的方程式中找到答案：e=mc²。这有很多含义，但在最基本的层面上，这意味着我们可以认为能量和质量是可以互换的。当物体以极高的速度或相对论的速度移动时，我喜欢认为它们只是具有动量，这是它们的质量和速度的组合。如果你想让一个物体加速，你就必须不断地向它注入越来越多的能量。以光速运动的巨大物体将具有无限动量，您可以将其视为无限能量或无限质量。这根本不可能：当物体接近光速时，它的质量将变得如此巨大，以至于不可能进一步加速它。但光没有质量，因此很容易回避这个问题。

狭义相对论还意味着，如果外部静止的观察者正在观看这个，他们会看到一些真正古怪的东西。当一个物体以相对论速度运动时，从外部看，该物体的时间似乎变慢了。如果我以百分之九十九的光速离开你，你会看到我的衰老速度减慢。这称为时间膨胀。另一部分称为长度收缩——如果我像超人一样头朝前飞离你，你也会看到我随着速度变得越来越短。从我快速的参考系来看，我不会感觉到时间变慢或自己在缩小，但从外面看，我越接近光速，我就会变得越矮、越不老。

这是一个问题，因为如果我达到光速，当我的高度达到零时，从外面的观察者会看到时间完全停止。我会突然消失，时空也会跟着我一起旅行。对我来说幸运的是，物理定律不允许这样做。唯一能够达到该速度极限的东西是无质量的：光子、胶子、重力的影响等等。没有什么可以更快地穿越时空。

我们不必因这一宇宙速度限制而感到沮丧，相反，我们可以感到高兴，因为光速有一个非常重要的后果：后果的整个概念。所有的物理学，我们对一切事物的全部理解，都建立在因果关系的基础上，即结果总是跟随原因，而不是相反。

这样想：当我接近光速时，你会发现时间对我来说变慢了。如果我达到光速，它就会停止。如果我继续走得更快，它就会开始朝相反的方向发展。从你们的参照系观察到，如果我以比光速更快的速度行进，我就会在时间上倒退。如果我向你发送了一个比光速更快的信号，就像某种违反物理原理的魔法短信，你会在我发送之前收到它。如果没有我们普遍的速度限制，就不可能判断哪个事件造成了什么影响——宇宙的一切都将变得非常难以理解。

这引出了我的最后一点，我觉得思考这一点既令人兴奋又有趣。如果每个信号都需要时间来传播，并且时间在相对于彼此以不同速度传播的参考系中移动不同，那么两个事件“同时”发生意味着什么？如果我对镜子里的自己眨眼，我看到反射回来的眨眼实际上比我实际眨眼的时间晚了一小部分，因为光线必须从我的脸上反射，然后是镜子，然后回到我的眼睛才能感知。如果你说太空不同地点的两个事件同时发生，我不得不问，“根据谁的说法？”。根据两个位置之间的距离，对于一个观察者来说，事件 1 可能会先发生，而对于另一个观察者来说，事件 2 将先于事件 1 发生。不存在客观同时性这样的东西，也不存在“同时”这样的东西，而这一切都是因为光具有速度。狂野吧？