光速

光有多快？

光在真空中每秒精确地传播299792458米，约合每秒299792千米，也就是每小时约10.8亿千米。

这里的“精确”很重要。自1983年起，米本身就是用光来定义的：1米等于光在1/299792458秒内走过的距离。所以光速不再是一个需要年年测得更准的量，而是一个固定的数，我们的尺子反过来以它为基准。

光穿过物质时会变慢。在水中，它的速度约为真空中的四分之三；在玻璃中约为三分之二。科学家不加说明地说“光速”时，指的是真空中的光速，通常用字母c表示。

罗默与木星的卫星

在历史上的大部分时间里，人们以为光是瞬间到达的。第一个有力的反证出现在1676年，来自在巴黎天文台工作的丹麦天文学家奥勒·罗默。

罗默当时在给木卫一计时。木卫一是木星最内侧的大卫星，它按固定的周期进入木星的阴影，大约每42.5小时一次。他注意到，地球朝木星靠近时，这些食会稍稍提前；地球远离木星时，又会稍稍推迟。

他的解释简单而大胆：地球离木星越远，木卫一的光就要多走一段路，每次食的“消息”传到我们这里也就越晚。罗默估计，横跨整个地球轨道的延迟约为22分钟，而真实数值接近17分钟。荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯把这个延迟与当时估计的地球轨道大小结合起来，得出约每秒21万千米。这个数值偏低，但核心思想是对的：光速是有限的。

菲佐、迈克耳孙与精确数值

1849年，法国物理学家伊波利特·菲佐首次在地面上测量了光速。他让一束光穿过一个高速旋转的齿轮的齿缝，射向约8千米外的一面镜子。当齿轮转速合适时，返回的光恰好被下一个齿挡住。根据齿轮转速和距离，他得出的数值与现代值相差约5%。

19世纪后期直到20世纪20年代，美国物理学家阿尔伯特·迈克耳孙用旋转镜改进了这一方法。在一组著名的实验中，他让光在加利福尼亚州两座相距约35千米的山峰之间往返。他的结果与今天的数值相差不到每秒1千米。1907年，迈克耳孙成为第一位获得诺贝尔物理学奖的美国人，主要就是因为这类精密光学工作。

为什么有质量的物体无法达到光速

爱因斯坦于1905年发表的狭义相对论解释了光速为何是宇宙的速度上限。它的核心观点之一是：无论观测者自己运动得多快，测得的光速都相同。

由此推出，有质量的物体跑得越快，就越难再加速。接近光速时，每一次推动所增加的速度越来越少。要恰好达到光速，物体需要无限大的能量，没有任何火箭或粒子加速器能提供。

光本身没有质量，所以它总是以c的速度传播。大型强子对撞机能把质子加速到光速的99.9999%以上，但它们始终差那么一点。

太空中的光行时间

由于太空极其广阔，即使是光穿越它也需要时间。阳光离开太阳后，大约8分20秒到达地球。月球反射的光只需约1.3秒。

火星很好地说明了这对实际任务的影响。根据两颗行星在轨道上的位置，无线电信号单程需要约3至22分钟。地球上的火星车操作员无法实时驾驶，所以火星车会执行预先规划的指令，并依靠自身软件避开危险。

再往外，延迟就更长了。最遥远的航天器旅行者1号离我们太远，它的信号需要将近一整天才能传回地球。

仰望星空就是回望过去

每当你看到天上的某个天体，你看到的都是它的光出发时的样子。你看到的太阳是约8分钟前的太阳。像天狼星这样的亮星，呈现的是它8年多以前的模样。

对星系来说，这种效应变得极其显著。来自仙女座星系的光大约在250万年前离开它。詹姆斯·韦布空间望远镜收集的光在130多亿年前就已启程，因此天文学家可以研究宇宙诞生后不久那些年轻星系的样子。

这是天文学中最有用的工具之一。距离与时间彼此相连，所以深空就像一本分层的历史书，越远的章节越古老。