光速研究史
如果你去参观位于法国塞纳河左岸的巴黎天文台 ， 你会看见那里的墙上有个牌子 ， 上面写着1676年光速第一次在这里得到测量 。 不过 ， 这却是一次意外的发现 。 那时 ， 巴黎天文台的主管是著名的天文学家乔凡尼·卡西尼 ， 他的一位助理、丹麦人奥勒·罗默在试着搞清楚木卫一掩星（木卫一跑到木星阴影里的现象）发生的时间为什么比理论计算的有延迟 。 罗默与卡西尼讨论后 ， 认为可能的原因是光速是有限的（之前通常认为光速是无穷大的） ， 使我们观察有延迟 。 罗默还粗略地计算出 ， 光要是通过地球公转轨道半径这样长的距离 ， 得需要10或11分钟 。
不过 ， 卡西尼认为如果原因真的是光速是有限的 ， 那么同样的延迟现象应该也会出现在木星其他的卫星上 ， 但事实上却没有 。 所以 ， 争议就随之而来了 。 直到1728年 ， 英国天文学家詹姆斯·布拉德雷用其他的办法测量了光速 。 布拉德雷以及许多后续的实验已证实 ， 罗默估计出来的光速比实际的低了约25% 。 现在 ， 我们已经知道光在真空中的速度为299792458米/秒 ， 而且这是一个精确值 ， 因为米的定义就是基于光速的 。
为什么光会这么快？为什么不更快一些 ， 或更慢一些？换句话说 ， 光速由什么决定？
19世纪60年代 ， 英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦发现 ， 当电场和磁场一起改变时 ， 它们的相互作用会产生电磁波 。 麦克斯韦计算了一下电磁波的速度 ， 发现它正好等于光速 ， 这强烈地暗示光就是一种电磁波 ， 而这种观点随后就被实验所证实 。 之后 ， 另一项突破则发生在1905年 。 那时 ， 阿尔伯特·爱因斯坦提出光速是宇宙中速度的上限 。 根据他提出的狭义相对论 ， 一个物体不可能加速到超过光速 。 因此 ， 麦克斯韦和爱因斯坦告诉我们 ， 光速实际上与许多其他的事情息息相关 。
但是 ， 上面这些理论都无法解释什么决定了光速 。 最近 ， 一些物理学家认为 ， 光速的秘密可能与真空本身相关 。
文章插图
量子涨落决定光速
量子理论出现之前 ， 描述光的最完整的理论就是麦克斯韦的电磁理论 。 即使在现在 ， 电磁理论对我们来说仍非常重要 ， 但它产生了一个问题 。 为了计算出真空中的光速 ， 麦克斯韦需要使用两个关于真空电磁性质的常数 ， 分别称之为真空介电常数和真空磁导率 。 它们具体为多少 ， 需要通过实际测量来得到 。
但问题是 ， 这些常数究竟代表着什么呢？毕竟 ， 电和磁是由电子等带电的基本粒子产生的 。 但是 ， 如果我们谈论的是真空 ， 里面什么也没有 ， 那么不是应该没有任何粒子吗？
此时 ， 我们得用量子理论来解释了 。 在量子场理论（一种高级版本的量子理论）中 ， 真空不是真的空 ， 而是一种状态 ， 是一个量子系统能量达到最低的状态 。 它其实是一个很喧闹的舞台 ， 量子涨落会产生稍纵即逝的虚粒子 。
那什么是量子涨落呢？根据海森堡的不确定性原理 ， 在物理测量中总是存在不确定性 。 经典物理学中 ， 我们能同时精确地知道位置和动量 ， 例如台球桌上的一个静止的台球 。 但是 ， 量子理论却不这么认为 。 根据不确定性原理 ， 我们总是不能同时精确地知道位置和动量 ， 就好像台球始终有着微弱的抖动 。 不过这种抖动太微弱了 ， 我们人类无法直接感觉 。 但是在真空中 ， 这些抖动会使得能量（或同等的质量）发生涨落 ， 会不断地产生稍纵即逝的虚粒子 。
这些虚粒子如同幽灵一般稍纵即逝 ， 但是它们却能产生可观测的影响 ， 其中就包括电磁的影响 。 电场或磁场作用到它们身上 ， 会产生相应的电磁反应 。 这种现象使得物理学家可以测量到真空的电磁性质 ， 进而能算出光速的大小 。
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