综述

人类对于速度的认知随着科技的发展在不断刷新，古代时人们发现驾驶载具出行要比步行快得多，所以出现了马车、驴车等代步工具。战场上的将军更是以拥有一匹跑速极快的宝马为骄傲，可以说“马”在历史当中留下了浓墨重彩的一笔，不论是中国名将的战马还是西方出现的骑士都体现出了马的重要性。而马为何能成为人类重点饲养的动物，究其原因在它的速度。

科技出现萌芽并有所发展之后，人们发现蒸汽机等工业革命产物能催生速度更快的载具，火车、汽车、飞机的出现颠覆了人们以往对速度的认知。

蒸汽机工作示意图

到了近现代则更为明显，比如高铁使得原来需要走十几个小时的旅程骤然缩短至几个小时内，减少的速度甚至是以倍计的。火箭、卫星的发射比高铁更快，我们好像从字面上都无法体会那种“高速”的状态了。

而目前人类发现最快的速度就是光速，它也常常被我们当作观测宇宙的距离尺度，毕竟在宇宙当中就使用现在地球最快的机械速度作为数据，那个数字也是庞大到写不下的。所以光速就是已知的极限速度吗？

火箭的速度非常快

光速

人类作为一种生来富有想象力又十分浪漫的生物，通常会将一些晦涩难懂的物理或数学常量、模型加在话语中，比如情书中常常会写到，爱你到天荒地老、想要以光速抵达你身边等等语句，因此我们好像经常会见到“光速”这个词，但是除了知道它是目前宇宙最快速度之外好像也不了解别的，那么光速到底是什么呢？

光速实质上是物理学当中常用到的一个词语，它指的是电磁波或者光波在真空或者介质当中的传播速度。大家都知道，宇宙中的环境是近乎于真空的，光速在这种真空环境下传播的速度很快。

可以达到299792.458km/s，一般四舍五入为30万公里每秒，这一数值也是目前已知的最快速度。

光速主题图片

所以我们在统计宇宙中天体之间的距离时，一般都会使用到“光年”，光年这一词表面上看像是时间，实际代表的却是速度。

科学家认为光速本身与观测者对于光源的运动速度无关，简言之在光源静止的情况下，不论怎样观测得到的光速都是相同的。而物体质量和运动速度呈现正相关的趋势，所以当一个物体运动速度和光速接近时，它的动质量将接近无穷大。

听到“无穷”这一没有具体数据可以描述的词语时，想必大家已经知道了只有质量为0的物体才能达到光速，显然这种物体是不存在的。

统计宇宙中天体之间的距离时人们会使用“光年”

最早意识到光速存在的人是伽利略，没错，这位伟大的科学家不仅是第一个将望远镜瞄准宇宙观测到银河的人，同时也是全世界第一个测量光速的人。这项实验在1607年进行，不过开灯、看表的简易实验操作使得他并未测量出光速，但是却有力地反驳了“光速无穷大”理论，使得光速从一个人类无法想象的量变成了可以通过速度公式计算分析的“有限数字”。

我们人类作为一种有质量的生物，想要达到光速显然是不可能的，因此只能借助外力工具，就如文章开篇所说的各式因时而生的“新型”载具。

伽利略是第一个测量光速的人

人类是否能创造出“光速飞船”是我们能否飞出太阳系探索宇宙的关键，但是显然在目前的光速极限的理论当中，这种飞船是不太可能出现的。

值得一提的是光速在有介质的情况下，比如玻璃和水中，会明显降低。

光在介质中的传播速度和真空速度进行对比后会产生“折射率”，我们经常会在宇宙当中观测到好几个一模一样的星系，正是以这一折射率为基础，这种现象叫做“引力透镜效应”，是爱因斯坦的著名理论之一。

光速主题图片

光速与相对论

我们对光速的认知大都来源于爱因斯坦的相对论，事实上光速确实在相对论当中起到了关键的作用，甚至可以说是基础。

在20世纪爱因斯坦狭义相对论中质能等价理论的推论，即著名的方程式E=mc2，意为一切物质都潜藏着质量乘以光速平方的能量。

因此光速在相对论当中是处于核心地位的，它的作用主要体现在两个方面。首先就是光速的出现使得空间和时间变成了可以进行测量的量，过去人们对时间的认识是通常认为它代表着过去和未来，我们很难说清楚“时间”到底是什么。

光速模拟图

但是光速将时间具象化地展示在了我们面前，甚至在高维空间中我们猜不透的“时间”早已变成了一个和长宽高一样可以明确说出的常量。在相对论当中爱因斯坦就通过规定真空中光速的各向同性，校准了不同两地的时钟。

在这一系列的假定之后，它将光速、时间和空间放进了一个可以确定的完整体系当中，在这里面各个空间的时间都是统一的。

这就是我们现在常常会使用时间的度量来计算空间距离的原因，不过经常会有人提出“光年”这种词看上去明明是时间却要用来表示距离的疑惑，是尚未体悟到相对论当中“光速”真正起到的作用是什么。

人类现在会使用时间的度量来计算空间距离

第二个方面就是我们最为熟悉的“光速不变原理”了，光速不变原理指的是真空中的光速与光源、观测者、运动速度大小等因素都无关，这就意味着它在各种惯性系当中的速度是绝对不变的。通过这一原理可以推导出，惯性系中两地同时发生的事件实质上并不是“同时”发生的。

这就是所谓的“同时相对性”，我们只有在充分领悟同时相对性之后才能理解相对论到底说的是什么。

总的来说爱因斯坦的相对论可谓是为我们构建起了现代物理学的大楼，那么作为其中重要元素的“光速概念”其作用更是不用说，因此光速现在是物理学当中经常出现的一个物理常量，从400多年前人们觉得光速是无限的到它能成为一个确定的值，还是经历了漫长的时间。

光速模拟图

光速测量的历史和光速的价值

从前文我们知道了第一个测量光速的人正是伽利略，但是他的测量手段过于简易，并未测出有效的数值。人们发现在地面上测量光速的方法十分复杂，相反在宇宙当中更容易测量光速，毕竟是处于真空环境的。

丹麦天文学家罗默正是发现了这一点，于是使用“天文法”来测量光速，他在17世纪时通过观测木星的一颗卫星，发现这种卫星被木星掩食的时间是有规律的，以此推断出光速是有限的。他在1676年9月预言木卫蚀将推迟十分钟的理论，最终得到了证实。

伽利略是第一个测量光速的人

著名科学家惠更斯通过计算得出了科学史上第一个光速值为214000km/s。法国的物理学家斐索则通过设计一种特殊装置“旋转齿轮”，在地面上测量出了光速的数值。地面测量的实验相较于天文法测量迟了近200年，于1849年实施。不过他的实验结果同样有偏差，计算出来的数值为315300km/s。

美国的科学家迈克耳孙结合了前文中提到的地面测量优点，设计出了地面测量光速的新型仪器“旋转八角棱镜”，他通过这一方法测定光速的数值为299796km/s。

惠更斯像

这一数值在当时被公然为光速的确定值，他本人也因此获得了1907年的诺贝尔物理学奖，并且这一数值也为后来相对论的产生打下了坚实的基础。

光速现在作为宇宙当中的速度上限经常被应用于各个领域当中，可以看出上限这个词表明它确实是我们已知当中最快的速度了。除了前文中提到的光速与相对论之间紧密的联系以外，光速作为一种基本常量也出现在后世的诸多“新理论”当中，当然“达到光速”和“超越光速”也成为了人类的梦想。

迈克耳孙像

量子纠缠

科学并非是亘古不变的，我们在不断推翻和完善前一理论的基础上，才会得到“宇宙的真理”。所以虽然从现在人们的观测来看，光速是宇宙中最快的速度，但是经过微观物理学的研究和发展，也有科学家指出“量子纠缠”的速度将比光速还要快。

量子纠缠是指在量子力学中，几个例子互相作用之后，其拥有的个体特性转化为了整体性质。根据物理学教授杰拉德·克利弗尔的言论来看，量子纠缠当中，信息的传播速度比光速要快，其速度甚至达到了光速的1万倍左右，这也被称为是超光速的存在。

假如未来人类的科技可以利用量子纠缠的相关原理进行星际旅行，那么再广袤的空间都不足为惧，它能使我们在有限的寿命当中跨越更大的空间尺度，飞出太阳系甚至银河系都会变得十分简单。

量子力学对人类研究宇宙具有很大的意义

黑洞与光

可以说虽然光速是目前已知的最快速度，但是人们认为宇宙中一定存在着比它更快的速度，这一点正是基于我们对黑洞的发现。人类通过不断地观测和研究发现，速度如此快的光都无法逃过黑洞的控制，而我们对于黑洞内部的情况了解实在是知之甚少，所以在黑洞当中是否有“超光速”的存在，尚无定论。

相信随着科技的发展，速度的极限会不断刷新，所有看似“无限”的东西都会在未来变得可以具象化。实际上不少科学家认为，假如我们跳脱出三维达到四维或者更高维的空间，一切问题和疑惑就全部迎刃而解了，我们之所以无法确定宇宙的基本规律，完全是三维的固有认知限制了我们的思维。

黑洞想象图

结语

说到这里，相信大家对于光速都有了更加清晰地认知，但是显然其中的公式和理论对于我们这种普通人而言还是很难理解的，许多专业性很强的概念确实需要有一定的知识储备才能理解。

这大概就是物理学家在我们眼中总是以“神人”或者“疯子”的形象出现的原因吧，他们能在这些交错复杂的概念当中找到一个公式甚至是一个定量，确实是一件很厉害的事情。感觉物理学家眼中的世界与我们不同，他们总是能透过一个简单的现象看到宇宙的某一处。

光速主题图片