光速是如何计算出来的？

真空中的光线速度为299，792，458米/秒，科学家们终于在1975年达成了一致，但为什么要解决这个数字呢？为什么这很重要？

回答了这些问题，能让我们在空间，时间，物理和测量方面有了惊人的历程，这个故事远还没有结束。近一个世纪以来，现代研究首次对光的速度提出质疑。

17世纪初，普遍的共识是，光没有速度，它只是瞬间出现，无论是否存在。

在17世纪，这个想法受到严重挑战。首先，在1629年，荷兰科学家艾萨克·贝克曼（Isaac Beeckman）在火药爆炸物周围建立了一系列镜子，看看观察者是否注意到光线闪烁时出现的差异。遗憾的是，这次的实验结果并不确定。但随后在1676年，丹麦天文学家奥利·罗默（Ole Romer）注意到木星的卫星在一年中的一个的日食时间奇怪的变化。

这可能是因为当地球更远时，光线从木星旅行了更长的时间？罗默认为就是这样，他粗略计算出光速每秒大约22万公里。考虑到当时对行星大小的数据并不完全准确，这个结果不算糟糕。

在我们自己的行星上进行的光束的进一步实验使科学家更接近正确的数字，然后在19世纪中期，物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）介绍了他的麦克斯韦方程组--在真空中测量电场和磁场的方法。

麦斯威尔方程组的固定空间电场和磁场的特性，并且在注意到无质量电磁辐射波的速度非常接近于假定的光速之后，麦克斯韦尔认为他们可能完全匹配。

事实证明，麦克斯韦是对的，我们第一次可以根据宇宙中的其他常数来测量光速。

与此同时，麦克斯韦的研究强烈地认为光线本身就是一种电磁波，在这个想法得到证实之后，在1905年被阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）所接受，并成为狭义相对论的一部分。

今天，光的速度（或c）被认为是狭义相对论的基石，与空间和时间不同，光的速度是恒定的，与观察者无关。更重要的是，这个常数是我们对宇宙的理解的基础。它与引力波的速度相匹配，是的，与著名方程E=mc^2中的c相同。

科学家已经通过从物体反射激光并观察引力作用于行星的方式来测量它，并且所有这些实验都得到了相同的数字。

然而，这个故事并不完全结束，由于量子理论，这个物理学分支暗示宇宙可能不会像我们想象的一样恒定。量子场论认为真空从来都不是空的：它充满了基本粒子，迅速地存在和消失。理论认为，这些颗粒沿着沿着路径方向产生电磁波纹，并且可能潜在地导致光速的变化。

爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，任何有静质量的物体的速度都不可能达到或者超过光速，这也是所谓的光速极限，宇宙中的速度极限就是光速。

那么，为什么拥有静质量的物体的速度都不可能达到或超越光速呢？

狭义相对论中可以推导出质增效应，物体的质量会随着速度的变大而增加，当物体的速度接无限近光速时，质量就会变得无穷大，这时候再让物体加速，就需要无穷大的能量才可以，整个宇宙的能量都做不到，所以，这个物体的速度是不可能达到或者超越光速的。

这里需要强调一点，所谓的“光速限制”中的光速，并不仅仅指光在真空中的速度，光速是四维时空的固有属性，是一种内在秉性，只与四维时空本身有关。

也就是说，光速限制是四维时空的固有特性。宇宙，其实并不存在光速限制，限制的只是四维时空的界限。说白了，一旦超越光速，物体就脱离了四维时空，不再属于四维时空的一部分，自然也不在我们的宇宙了。

也就是说，一旦物体达到或者超越光速，就不再以我们熟悉的方式存在，而是以别的方式存在，只有什么方式，我们不得而知，可能永远也不知道，因为我们无法脱离四维时空存在。

所以说，并不是宇宙限制了光速，恰恰相反，而是光速限制了我们的宇宙，限制了四维时空。

前面说过，光速并不仅仅指光的速度，而是四维时空的固有属性，不仅仅光的速度是光速，胶子的速度，引力波的速度都是光速，这些都与四维时空息息相关。

而且，光速还有一个非常重要的特性，那就是光速的绝对性，光速不变原理。光速，相对于任何参照系都保持不变，也就是说光速是绝对的。

按照我们的日常生活经验，只要提到速度，都需要有参照系才有意义。比如说，在地球上我们通常所说的速度基本上都是默认地面为参照系。没有参照系的速度毫无意义。

但是光速恰恰打破了我们的传统认知，光速根本就不需要参照系，或者说光速相对于任何参照系都保持不变，光速的这个特性大大违背了我们的传统认知。

举个通俗的例子。我呆在地球上静止不动，你乘坐飞船以0.9倍光速的速度飞向天空，假设飞船足够大，你在飞船里相对飞船以0.9倍光速的速度飞行。那么在我眼里，你的速度是多少呢？

按照我们经常用的速度叠加来计算，你的速度应该是飞船的速度加上你自身的飞行速度，也就是1.8倍光速，这不是超光速了吗？

其实并不是1.8倍光速，在我眼里，你的速度仍旧达不到光速，只是非常接近光速。因为我们平时所用的速度叠加公式是以绝对时空观为基础的，在绝对时空观体系下，你的速度确实超光了。

但是爱因斯坦告诉我们，时空并不是绝对的，而是相对的，这种相对性就可以看做是光速限制。

时间和空间，也就是时空结构会随着速度的变化做出相应改变，以保证最终的速度无论如何都不可能超过光速。体现出来的就是时间膨胀效应和尺缩效应，两者是等价的，分别对应时间和空间，而时间和空间又是有机的整体。

平时我们用到的速度相对光速都非常小，对时间和空间的影响完全可以忽略不计，所以我们直接用速度叠加公式来计算相对速度就可以了。但是一旦速度达到亚光速，就必须考虑速度对时空结构的影响，这时候直接用速度叠加公式，也就是伽利略变换误差就很大的，需要用到更精确的洛伦兹变换公式。

从公式中可以看出，无论V1和V2多大，最终的速度都不可能超过光速。

其实这也是光速不变原理的另一种表现形式。再举个例子，有一束光，无论你以多快的速度追这束光，你不但追不上这束光，而且在你眼里，这束光的速度永远是光速，哪怕你的速度达到光速的几十倍，你也永远追不上那束光！

也就是说，无论速度快慢，那束光的速度都保持不变。这就是光速的绝对性，本质上体现出了时空的相对性，为了迎合光速的这种“霸道”行为，意味着某些东西必须做出妥协，做出相应改变，才能使得光速在不同参照系下都保持恒定不变。

而这些东西正是时间和空间，也就是四维时空。这再次说明了光速并不是宇宙的速度极限，当然宇宙也没有限制光速。应该说四维时空限制了光速或许更贴切一点。

说白了，光速就是四维时空的分界线。只要在四维时空里，你就无法超越光速。言外之意，一旦超越光速，就脱离了四维时空。或者说想要脱离四维时空就必须让速度超过光速。

脱离了四维时空最终会到哪里了？是不是高维度时空呢？

我们目前不知道，或许永远也不知道。高维度完全就是一个虚幻的抽象概念，不要说理解高维度了，我们甚至无法想象高维度到底是什么状态！

这与人类科技水平高度无关，而是局限性彻底锁死了人类的想象力，我们的所有想象都局限在四维时空里，根本无法突破。

这就像人类其实根本无法想象出现实中不存在的东西，所谓的“妖魔鬼怪”等现实中不存在的东西，其实都能在现实中找到它们的模板！

为何只有光子能以光速飞行？

科学与奇迹，理智与想象，在广袤的宇宙中交织出一幅幅精彩的画卷。在这些画卷中，有一种特殊的粒子——光子，以其神奇的光速飞行，如同璀璨的流星，在黑暗的宇宙中划出一道明亮的轨迹。那么，究竟是什么让光子能以光速飞行，而其他粒子却做不到呢？这个问题，或许我们可以从粒子的属性和特殊相对论出发，一探究竟。

探秘光子：光速的神秘使者

光子，是一种粒子，它构成了我们所知的光。而且，它的速度极快，可达到每秒300，000千米。光子能以如此高速飞行的原因，就在于它“无质量”。在物理学中，只有质量为零的粒子才有可能达到光速，这是因为质量和速度之间存在着一种复杂的关系。如果一个粒子的质量不为零，那么在它加速的过程中，能量会被转化为质量，这就阻止了它的速度超过光速。

光子的速度，不仅仅是一个物理现象，它还直接影响到我们对世界的理解和感知。想象一下，如果没有光速的限制，我们看到的宇宙将会是怎样的呢？那可能会是一个完全不同的世界。所以，光子以光速飞行，对我们理解宇宙的本质具有重要意义。

光子的奇特性质

光子是一种奇特的粒子，它不仅没有质量，而且没有电荷。这些特性使得光子在空间中可以以光速移动，并且不会受到电磁场的影响。此外，光子还具有波粒二象性，既可以被看作是粒子，也可以被看作是波动。这是量子力学的一个基本概念，让我们能够更深入地理解光和其他微观粒子的行为。

特殊相对论与光速

特殊相对论，是由爱因斯坦于1905年提出的理论，它描述了物理世界的基本规律。特殊相对论告诉我们，无质量的粒子（如光子）在真空中的速度是常数，即光速，这个速度不会因为观察者的移动而改变。也就是说，无论你怎么看，光速总是一样的，这就是我们常说的＂光速不变＂。这个理论的提出，极大地推动了物理学和科学的发展，也深刻地影响了我们对宇宙的认识。

其他粒子为何无法达到光速

我们知道，宇宙中存在着许多不同的粒子，如电子、质子、中子等，它们的质量都不为零。根据特殊相对论，质量不为零的粒子，其速度无法达到光速。这是因为，随着速度的增加，粒子的质量也会增加，而这需要消耗大量的能量。当粒子的速度接近光速时，所需的能量将趋向无穷大，这是不可能实现的。因此，其他粒子无法达到光速。

光子与我们的生活

光子的存在，对我们的生活有着重要的影响。它不仅是光的载体，使我们能够看到周围的世界，还在许多科学技术中发挥着重要作用。比如，在光电效应中，光子携带的能量可以使金属中的电子脱离原子，产生电流。这一发现，为光伏技术的发展打开了新的可能。此外，光子还在激光、光纤通信、量子信息技术等领域中有着广泛的应用。

粒子世界的奇妙

粒子世界，充满了神秘和奇妙。比如，质子和中子，尽管它们不能以光速飞行，但它们在原子核中通过强相互作用形成稳定的结构，构成了我们熟悉的物质世界。再比如，电子，它们在原子外层以特定的轨道运动，决定了原子的化学性质。还有奇特的中微子，它们可以无阻碍地穿越物质，给我们的探测带来了挑战。

在粒子的世界里，每种粒子都有其独特的性质和作用。比如，电子的负电荷和特定的能级结构，决定了原子的化学性质。质子和中子的强相互作用，构成了稳定的原子核。中微子的弱相互作用，使得它们可以无阻碍地穿越物质。尽管这些粒子无法像光子那样以光速飞行，但是它们在物质世界中都有着不可或缺的作用。

结语

光子，这个光速的使者，以其无质量的特性，赋予了我们观察和理解世界的独特视角。这不仅是一个神奇的物理现象，也是对宇宙规律的深刻诠释。对光子的理解，不仅让我们感叹于宇宙的奇妙，更引发我们对未知的探索和追求。在这个永无止境的科学旅程中，让我们一起期待下一个奇迹的出现。