常数c不单指光速，而是宇宙中的一个更基本的几何属性

常数 c，通常被认为是光速，其实不单指光的传播速度。

你可能听说过，在真空中光速c 是任何事物能够达到的最快速度。这并不总是正确的。

特别是在某些被称为“异步过程”（metachronal processes）的情况下，这一说法不成立。所谓异步过程，指的是那些经过精心安排或编排的过程，其中各个子过程之间的因果关系都发生在它们各自的过去。在这种情况下，信息或影响似乎是“超光速”传播，但实际上并不违反相对论的光速限制，因为这些子过程之间并没有真正的即时因果联系，它们是事先安排好的。

光速也在那个著名的等式 E = mc² 中出现，这个公式实际上只是更广泛物理关系 E² - p²c² = m²c⁴ 的一个特例，这个更全面的公式涵盖了动量 p、能量 E 和静止质量 m 之间的关系。光到底与某物的能量有什么关系？光在宇宙中似乎具有特别深刻的意义。

将常数 c 仅仅视为光速是一种误解。实际上，c 代表的是宇宙中的一个更基本的几何属性。虽然我们通常认为 c 是光速，但这只是因为光的物理特性使它的速度恰好等于这个几何属性所定义的速度。

想象一下，有一辆模型火车在轨道上以一定速度行驶，同时，有一个小孩用一根绳子拖着一个玩具车，这个玩具车的速度恰好与模型火车的速度相同。这种相同的速度并不是因为玩具车本身的特性，而是因为它被绳子与模型火车联系在一起。因此，玩具车的速度是由它与模型火车的关系决定的，而不是独立存在的。同样，光速也是这样。光速并不是光独有的特性，而是宇宙的一个基本属性。

爱因斯坦和光

阿尔伯特·爱因斯坦因其著名的 1905 年论文《论动体的电动力学》（Zur Elektrodynamik bewegter Körper）而被认为是相对论的创始人。

在分析迈克尔逊-莫雷实验的重要发现时，这一实验提出了与传统物理学相悖的结果：在不同的参考系中光速是恒定的，这与伽利略理论中速度相加的直观理念相冲突。伽利略理论暗示，如果在一个移动物体上发射光线，那么光速应该是该物体速度和光速的总和，但实验结果显示，光速实际上是一个固定值，不受参考系运动状态的影响。

在爱因斯坦之前，已有物理学家如亨德里克·洛伦兹和亨利·庞加莱探讨了这一现象。他们在理论上提出，为了使光速在不同参考系中保持恒定，麦克斯韦方程——一组描述光波传播的方程——需要在相对运动的参考系之间以特定方式转换。在麦克斯韦理论中，光速被定义为基于静电学和磁静学的常数，这表明如果麦克斯韦方程在不同参考系间形式保持一致，那么光速也应当是恒定不变的。

在探讨时间和相对运动的问题上，洛伦兹和庞加莱并没有明确表明在不同参考系中时间坐标 t 是否代表实际的时钟时间。他们提出了一个“有效时间”的概念来解释他们的发现，这个概念与传统意义上的时钟时间有所区别。

尽管他们的理论在当时看来是有道理的，但他们没有直接探讨一个重要的问题：在相对运动的情况下，不同参考系的时钟是否会记录到不同的时间变化。这个问题的核心在于，时间可能并非绝对不变，而是根据观察者的运动状态而有所不同。

爱因斯坦则是第一个全面接受并公开表达这一观点的科学家。他明确提出，在相对运动中，不同观察者的时钟实际上会以不同的速率运行。这个观点成为了他的相对论理论的一个重要组成部分，它彻底颠覆了人们对时间和空间的传统理解。简而言之，爱因斯坦的观点指出，时间是相对的，可以根据观察者的相对速度而发生变化。

物理学家弗拉基米尔·伊格纳托夫斯基在爱因斯坦发表其著名论文几年后，对洛伦兹变换进行了更深入的研究。洛伦兹变换是一组数学方程，用于描述在不同速度下观察者之间时间和空间是如何变化的。伊格纳托夫斯基专注于探究能够推导出这些变换的最基本假设是什么。

他的研究结果表明，依据伽利略相对性原理本身就足以推导出洛伦兹变换。伽利略相对性原理导致了一系列的洛伦兹变换形式的出现，这些变换是以一个未知常数 c 为参数的。这表明伊格纳托夫斯基找到了洛伦兹变换的准确形式，但是这个常数 c 需要通过实验来确定。

如果按照伽利略的思路，认为在所有参考系中时间都以相同方式测量，那么在常数 c 取无限大值的情况下，就会得到洛伦兹变换的一个极限形式。这意味着在光速远大于物体速度的情况下，洛伦兹变换可以简化为伽利略变换。

迈克尔逊-莫雷实验在物理学中扮演了一个关键角色，特别是在揭示伊格纳托夫斯基理论中的未知常数 c 方面。这个实验原本旨在探测“以太风”，却意外地证实了一个重要事实：光速在不同参考系中是恒定的。这一发现与伊格纳托夫斯基提出的理论相吻合。

这是“纯粹的巧合” ，麦克斯韦方程和光甚至没有在伊格纳托夫斯基的理论中被考虑。所以迈克尔逊-莫雷实验现在找到了一个以 c 移动的东西。伊格纳托夫斯基的理论还表明，宇宙中只能有这样一个特殊的通用速度 c。因此，迈克尔逊-莫雷实验实验性地证实了麦克斯韦方程暗示的重大猜测，并向我们展示了我们生活在一个有限 c 的宇宙中，而且恰好是光速！

是不是很优雅？我认为这是爱因斯坦开始后悔自己对数学不够重视的地方。伊格纳托夫斯基的方法用简单、优雅的群论修饰，将几个深刻的问题联系在一起，而不是爱因斯坦那种几乎不可能让现代人理解的方程式。

至少爱因斯坦在提出广义相对论之前得到了一些数学指导，特别是来自他一生的数学家朋友马塞尔·格罗斯曼的帮助！

所以我们现在应该将 c 视为在所有惯性参考系中始终被测量为相同值的唯一速度，而光被实验发现是以这个速度移动的。迈克尔逊-莫雷实验在我们考虑光量子时的另一个推论是，光子的静止质量为零。

在物理学中，有一个相对论性方程

关联了粒子的能量、动量和静止质量。这个方程表明，一个粒子的四维动量（结合时间和空间的相对论动量概念）在闵可夫斯基空间（一种用于测量四维空间距离的方式）中的长度，等同于该粒子在其静止参考系中的能量。这一点揭示了能量、质量和动量在相对论中是如何相互关联的。

光子生活在光锥上，它们没有静止参考系，它们的总能量完全包含在运动能量中。

光并不独特

在最近十年已经得到实验验证的科学发现：常数c，通常被认为是光速，其实是一个比光本身更基础的宇宙常量。这一点在过去的十年里，特别是自从 2017 年观测到 GW 170817 引力波事件以来，已经得到了明确的实验证明。这个事件是观测到的引力波与光速相同，验证了引力波也以速度 c 传播。这一发现在物理学界具有重要意义，因为它不仅证实了广义相对论中的预测，也强调了光速 c 作为宇宙中一个基本且普遍速度的地位。

在 2017 年 8 月 17 日这一天发生了一件天文学上极其重要的事件。美国的 LIGO 引力波探测项目和欧洲的 VIRGO 探测站捕捉到了来自 NGC 4993 星系的一次强烈引力波事件，这被认为是两颗中子星发生合并的直接证据。在这两颗中子星发生合并大约 1.7 秒后，位于地球轨道上的 Fermi 和 INTEGRAL 伽马射线望远镜探测到了来自同一天区的伽马射线爆发。

信号源是 1.44 亿光年外两颗中子星的合并，引力波信号首先被捕获，紧接着在 1.7 秒之后，相同来源的伽马射线爆发被探测到。这个短暂的时间差异在考虑到整个 1.44 亿光年的距离后，提供了一个令人印象深刻的证据，证明光速和引力波的速度是一致的。具体来说，这 1.7 秒的延迟在整个旅行距离中所占的比例极其微小，其准确度可以精确到 10 的 16 次方的四分之一。这个数值表明了在如此庞大的时间和距离尺度上，这种延迟几乎可以忽略不计，展现了观测的高度精确性。

但更令人印象深刻的是，在分析两颗中子星合并事件时，天体物理学家们进行了精确的计算，以确定从合并产生的密集物质（被称为碎片雾）中光逃逸所需的时间。他们发现，几乎所有的 1.7 秒延迟时间——具体来说是超过 1.6 秒——都可以通过这种方式来解释。这意味着，在引力波信号和随后探测到的伽马射线爆发之间的这段延迟时间中，只有大约十分之一秒的部分尚未得到解释。

根据广义相对论的预测，引力波应该以光速 c 传播。因此，当实验结果证实了这一点，全球的物理学界并没有表现出太大的惊讶，因为这与理论预期相符。但对于观察者个人而言，这一科学发现仍然带来了深刻的情感影响。尽管这个结果在科学领域可能被预见，但它对个人来说具有特别的意义。

这个发现不仅仅是对一个已知科学理论的验证，更是对光速 c 在宇宙中作为一个基本和普遍原则的确认。这种认识超越了光速作为特定物理过程中的传播速度，而是揭示了它作为宇宙根本特性的重要性。