终极宇宙法则的迷人的故事

我们如何知道光速？为什么它有一个速度限制？可雷恩（Leah Crane）探索宇宙中最重要的数字之一的历史

新科学家 By Leah Crane

4 November 2025

Columnist and Physics

光速来自哪里和为什么它如此顽固？NASA, ESA, CXC, SSC

以下是来自我们《在空时中迷失》时事通讯的一个摘录。每个月，我们深入钻研来自宇宙各地的迷人的想法。您可以在此处注册《在空时中迷失》sign up for Lost in Space-Time here。

如果你已经上过一堂大学水平的物理课，你将对被要求测量光速有“喜好”的回忆，如果在几个小时内你设法把镜子、镜头和光源刚好排成队得到一个每秒3亿米以下的答案。它是物理学中的一个基本常数，一个对理解如果你想了解毕竟宇宙的任何东西是至关重要的。

当我们远望进宇宙时光是我们唯一的资源——好吧，不相当我们的唯一的，但引力波就在现在以它们能向我们显示的被相当限制，因此请原谅稍有夸张。实际上天文学和宇宙学中的每一个突破都是基于收集从现实的边缘旅行了数百万年或数十亿年的光。甚至来自非常最近的恒星到我们太阳系的光已经旅行了四年多来到达我们。光要旅行的时间可能是在物理学中最有用、最不直觉的部分中。

早在我们有过任何光实际上是什么之前人们一直在争论关于光速。几个世纪许多最聪明的思维认为了光实际上是像种一个灯笼一样从你的眼睛发射，部分是因为一些动物的眼睛如何在黑暗中以特定角度辉光。尽管那个，他们仍然争论光被瞬间的发射还是要时间来旅行，直到17世纪为止这没有被适当的测试。

最早的量化它的尝试涉及在离一个观察者一定距离的地方设置一盏灯笼并测量灯笼被打开和观察者看到它的光之间的时间差。这不起作用（伽利略和他的同时代人不能够得到结论性的测量结果因为观察者离灯笼太近），最终科学家们移动到更复杂、更精确的方法。第一个实际上起作用的方法在1675年来到，当时罗莫尔（Ole Rømer）正工作在测量木星卫星木卫一的轨道周期上。罗莫尔注意到随着地球和木星之间的距离随着时间变化这个周期似乎变化，这毕竟没有意义——为什么木卫一的轨道与地球的位置没有任何事情要做呢？事实上它仅出现了不同，因为光从木卫一旅行到地球要用的时间当两者更靠近时时间更短。

他的一位同事克里斯蒂安·惠更斯进行了数学计算并发现了光速约为每秒220000000米。这不相当对的，部分因为我们不知道地球的运动的细节，但这是在一个大概数字中，随着科学家们开发出更精确的测量技术估计值从那里变得越来越好。到18世纪中叶，测量值是在目前接受的在一个真空中光速每秒299792458米几个百分点之内。

这带出了两个问题：为什么光速如此一个随机数，为什么有一个速度限制？第一个很容易来回答：它不得不与我们的单位有关，因为米和秒（或英里和小时或凡是你注意来用的日常单位的）被第一次按人类的世界的体验定义——例如一英里是一千步——这与基本常数没有任何要做的。第二个是更复杂的，它不得不与狭义相对论有关。

我们将在从来最著名的方程式中找到我们的答案：e=mc^2。这有很多含义，但在它的最基础的层面上，它意味着我们能认为能量和质量为可以互换的。当物体以极高或相对论的速度运动时我喜欢来认为它们为只有动量，这是它们的质量和速度的一个结合。如果你想加速一个物体，你不得不保持向它注入越来越多的能量。一个以光速运动的大质量物体会有无限的动量，你能把它想象成无限的能量或无限的质量。这只是不可能的：到物体接近了光速时它的质量会变得如此巨大以至于不可能来进一步加速它。但光没有质量，因此它容易的避开这个问题。

狭义相对论也意味着一个外部静止的观察者会看到某些东西真的古怪的如果他们正在观看这个。当一个物体正在以相对论速度从外部移动时对该物体时间出现慢了下来。如果我以99%的光速离开你，你会看到我的衰老减慢下来。这被称为时间稀释。另一点叫做长度收缩——如果我正在以超人的方式从你头上飞走，随我越飞越快你也会看到我越来越短。从我的快速参照框架，我不会觉得时间变慢或自己缩小，但从外面看我越接近光速我将会变得越矮越不老。

这是一个问题，因为如果我从来达到光速，一个来自外部的观察者会看到当我的身高达到零时时间对我完全停止了。我会被抹掉了存在，一道有随我的空时旅行。幸运的是对我物理定律不允许这样。唯一能达到这个速度限制的东西是无质量的：光子、胶子、引力效应和关于它的。没有任何东西能比这更快旅行过空时。

不是被这个宇宙速度限制挫败而是我们能欢乐，因为光速有一个非常重要的后果：后果的整个想法。所有的物理学我们的一切的理解，都是基于因果关系的基础即效果总是跟随原因而不是相反着。

这样思考它：随我接近光速你观察到对我时间变慢了。如果我达到了光速它就会停止。如果我保持甚至更快走，它就会开始走向相反的方向。从你的参照框架观测的到比光速更快时我正在时间中向后移动。如果我给你发送了一个比光速更快的信号，就像某种蔑视物理的神奇文本，你会在我发送之前收到它。没有我们的宇宙速度限制，来告诉哪个事件造成了什么效果将是不可能的——关于宇宙的一切将是相当远不可理解的。

这导致我到我的最后点，一个我发现既冲击思维又有趣来沉思的。如果每个信号要用时间来旅行并且时间在相对于彼此以不同速度旅行的参考框架中不一样的移动，对两个在 “同时”发生的事件意味着什么？如果我对着镜子眨我的眼，我看到的反射回来的眨眼实际上仅在比我身体上眨眼的时间晚了一小段时间发生，因为光线不得不从我的脸上弹掉，然后是镜子，然后回到我的眼睛里来感知。如果你说空间中不同位置的两个事件同时发生，我不得不问 “按照谁？”依靠两个位置之间的距离，对一个观察者事件1将已经首先发生，而对另一个观察事件2将已经先于事件1发生。没有如此的客观的同时性的东西，没有如此为“同一时间”的事情，这一切因为光有一个速度。狂的，对吧？

https://www.newscientist.com/article/2501889-the-fascinating-story-of-the-ultimate-cosmic-law/