為什麼光會這麼快？

光速研究史

如果你去參觀位於法國塞納河左岸的巴黎天文台，你會看見那裡的牆上有個牌子，上面寫著1676年光速第一次在這裡得到測量。不過，這卻是一次意外的發現。那時，巴黎天文台的主管是著名的天文學家喬凡尼·卡西尼，他的一位助理、丹麥人奧勒·羅默在試著搞清楚木衛一掩星（木衛一跑到木星陰影里的現象）發生的時間為什麼比理論計算的有延遲。羅默與卡西尼討論後，認為可能的原因是光速是有限的（之前通常認為光速是無窮大的），使我們觀察有延遲。羅默還粗略地計算出，光要是通過地球公轉軌道半徑這樣長的距離，得需要10或11分鐘。

不過，卡西尼認為如果原因真的是光速是有限的，那麼同樣的延遲現象應該也會出現在木星其他的衛星上，但事實上卻沒有。所以，爭議就隨之而來了。直到1728年，英國天文學家詹姆斯·布拉德雷用其他的辦法測量了光速。布拉德雷以及許多後續的實驗已證實，羅默估計出來的光速比實際的低了約25%。現在，我們已經知道光在真空中的速度為299792458米/秒，而且這是一個精確值，因為米的定義就是基於光速的。

為什麼光會這麼快？為什麼不更快一些，或更慢一些？換句話說，光速由什麼決定？

19世紀60年代，英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋發現，當電場和磁場一起改變時，它們的相互作用會產生電磁波。麥克斯韋計算了一下電磁波的速度，發現它正好等於光速，這強烈地暗示光就是一種電磁波，而這種觀點隨後就被實驗所證實。之後，另一項突破則發生在1905年。那時，阿爾伯特·愛因斯坦提出光速是宇宙中速度的上限。根據他提出的狹義相對論，一個物體不可能加速到超過光速。因此，麥克斯韋和愛因斯坦告訴我們，光速實際上與許多其他的事情息息相關。

但是，上面這些理論都無法解釋什麼決定了光速。最近，一些物理學家認為，光速的秘密可能與真空本身相關。

量子漲落決定光速

量子理論出現之前，描述光的最完整的理論就是麥克斯韋的電磁理論。即使在現在，電磁理論對我們來說仍非常重要，但它產生了一個問題。為了計算出真空中的光速，麥克斯韋需要使用兩個關於真空電磁性質的常數，分別稱之為真空介電常數和真空磁導率。它們具體為多少，需要通過實際測量來得到。

但問題是，這些常數究竟代表著什麼呢？畢竟，電和磁是由電子等帶電的基本粒子產生的。但是，如果我們談論的是真空，裡面什麼也沒有，那麼不是應該沒有任何粒子嗎？

此時，我們得用量子理論來解釋了。在量子場理論（一種高級版本的量子理論）中，真空不是真的空，而是一種狀態，是一個量子系統能量達到最低的狀態。它其實是一個很喧鬧的舞台，量子漲落會產生稍縱即逝的虛粒子。

那什麼是量子漲落呢？根據海森堡的不確定性原理，在物理測量中總是存在不確定性。經典物理學中，我們能同時精確地知道位置和動量，例如撞球桌上的一個靜止的撞球。但是，量子理論卻不這麼認為。根據不確定性原理，我們總是不能同時精確地知道位置和動量，就好像撞球始終有著微弱的抖動。不過這種抖動太微弱了，我們人類無法直接感覺。但是在真空中，這些抖動會使得能量（或同等的質量）發生漲落，會不斷地產生稍縱即逝的虛粒子。

這些虛粒子如同幽靈一般稍縱即逝，但是它們卻能產生可觀測的影響，其中就包括電磁的影響。電場或磁場作用到它們身上，會產生相應的電磁反應。這種現象使得物理學家可以測量到真空的電磁性質，進而能算出光速的大小。

2013年，法國巴黎第十一大學的馬塞爾·厄班和他的同事利用量子漲落，正確地計算出了光速的數值。他們發現，真空中虛粒子的密度決定著真空介電常數和真空磁導率的大小，進而決定著光速的大小。

這個結果看起來很令人滿意，但這並不能完全解開光速之謎。如果繼續問下去，仍有許多問題。例如，真空中虛粒子的密度決定著光速的話，那麼虛粒子的密度又是由誰決定的？它會發生改變嗎？

真的是常數？

所以問題依舊懸而未決。而且，並不只是光速有這樣的問題。我們知道，光速只不過是許多基本物理常數中的一個。其他的基本物理常數還有萬有引力常數（表示引力強度的常數）、普朗克常數（表示量子效應有多大的常數）、基本電荷（一個電子或一個質子所帶的電量）等等。這些基本物理常數被認為適用於整個宇宙，並且不隨時間發生改變。果真如此嗎？

基本物理常數是否始終不變，其實是一個古老的哲學爭論。亞里士多德曾認為，地球的構造與上天的構造是完全不同的，那麼基本物理常數也會因此而不同。而哥白尼卻認為，我們這裡其實與宇宙其他任何部分都是一樣的。在今天，科學家們都採用的是現代版的哥白尼觀點，認為物理定律在時空的任何地方都是完全一樣的，但這仍只是假設。

因此，20世紀英國理論物理學家、量子力學的奠基者之一保羅·狄拉克就曾質疑過萬有引力常數。1937年，根據相關的宇宙學觀測，狄拉克猜測萬有引力常數可能每年大約會減少100億分之一。不過，之後的天文觀測表明並不存在這種減少，而且也沒有任何跡象表明萬有引力常數隨著空間的不同而不同。而且，利用在地球上的萬有引力常數測量值，我們可以準確地描述整個太陽系行星和航天器運行的軌道，以及宇宙深處的天文學事件。

同樣，目前沒有任何證據表明，光速會隨著時間或空間的不同而發生變化。

誰是「基本」的常數？

所以，讓我們假設這些常數是真正的常數。那麼它們是基本的嗎？有沒有哪些比另一些更為基本？儘管有多種提議，物理學家通常認為普朗克常數、光速和萬有引力常數是最為基本的。不過，並不是所有人都認同這個觀點。

我們知道每一個測量出的物理量都是由數值和單位構成的。我們不會說光速約為300000，而是300000千米/秒，或186000英里/秒，或0.984英尺/納秒。雖然前面這些數字和單位都是不一樣的，但是它們的「量綱」（物理量的屬性）卻是相同的，都是長度除以時間。同樣，萬有引力常數和普朗克常數也有自己的量綱，分別是[長度³/(質量×時間²)]和[質量×長度²/時間]。

但是一些常量卻不具有任何量綱。這些常數就是所謂的無量綱常數，它們就是純數字，在各種單位制下都是一樣的。例如，質子與電子的質量之比就是無量綱常數，約為1836.2，後面不需要加任何物理單位。倫敦大學帝國理工學院的物理學家邁克爾·達夫認為，只有無量綱常數才是「基本」的，因為它們是獨立於任何的單位制。他認為，有量綱常數僅僅是人類構造出來的，因為其數量在不同單位制會有所不同。

人擇原理

也許最有趣的無量綱常量就是精細結構常數。1916年，物理學家利用量子理論解釋氫原子光譜線的精細結構（指的光譜線靠得比較近）時，首次引用了它。物理學家發現，精細結構常數相當於電子繞著氫核的速度除以光速，其數值約為0.0072973525698，與1/137幾乎相等。

今天，在量子電動力學（光與物質相互作用的理論）中，精細結構常數則被認為是電磁力作用到一個電子上的強度。這一下使得它變得很重要了起來，畢竟電磁力與引力、強核力和弱核力一起決定了宇宙是如何運行的。但是，還沒有人解釋精細結構常數這個數值是怎麼來的，它與哪些基礎理論有聯繫。所以，美國物理學家理查德·費曼曾寫道，「所有優秀的理論物理學家都將這個數貼在牆上，為它大傷腦筋……它是物理學中最大的謎之一，一個該死的謎：一個魔數來到我們身邊，可是沒人能理解它。你也許會說『上帝之手』寫下了這個數字，而『我們不知道他是怎樣下的筆』」。

無論是「上帝之手」還是一些真正的基本物理過程產生了這個常數，一個令物理學家不安的假設是，精細結構常數可能是一個隨機的結果。果真如此嗎？那麼為什麼會是這個數字呢？

這個問題常用的辦法是採用人擇原理來回答。人擇原理是一種哲學思想，認為我們所觀察到的宇宙必然具有能允許我們存在於這裡並能觀測宇宙的生存條件。精細結構常數稍微不同，就可能改變整個宇宙的樣子，例如使得恆星燃燒的過程中無法產生碳，這樣的話，以碳為基礎的生命將不復存在。簡而言之，我們之所以會發現精細結構常數以及其他的常數會是這個數值，是因為如果它們不是這個數值，我們就不會存在了。根據量子電動力學，物理學家發現，精細結構常數必須處在1/170和1/80之間，因為超出這個範圍，我們同樣也就不會存在了。

人擇原理看似很好的解釋了基本物理常數之謎，但也有許多物理學家把人擇原理看作一種狡辯而已，並認為問題並沒有真正得到解決。也許，光速等基本物理常數之謎將長時間困擾著我們。

（本文源自大科技*科學之謎2015年第12期文章）

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