光的速度為什么是每秒30萬千米而不是更快一點或慢一點？一種新理論使我們離答案曙光更進了一步。

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塞納河左岸的巴黎天文臺，墻上有一塊展板，上面說光速是在1676年首次被測得的。其實，這一結果實屬無心之得。當時，丹麥人奧拉·羅默是意大利天文學家喬凡尼·多美尼科·卡西尼的助手，他想弄清木星的一顆衛星相鄰食之間的時間間隔為什么是變化的。羅默和卡西尼討論認為，光速可能是有限的（在這之前，人們通常認為光的傳播是在瞬時完成的）。最后，經過粗略計算，羅默得出結論：光線走過與地球軌道半徑等長的距離所需的時間為10分鐘或11分鐘。

之后，卡西尼又改變了看法。他認為，如果光速有限，光的傳播就需要時間，那么在土星的其他衛星上也應該觀察到食的推遲現象，但實際上卻沒有。之后，人們對于光速問題頗有爭議，直到1728年英國天文學家詹姆斯·布萊德雷發現了另一種測量光速的方式。以后的很多實驗證實，羅默對光速的原始觀測數據慢了25 %。今天，我們已經確定光在真空中的傳播速度為每秒299792.458千米。

但光速為什么偏偏是這個數據，而不是其他呢？換句話說，光速是如何產生的呢？

150年前的電磁理論給了我們第一個重要的啟示。蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋指出，電和磁場的交變產生了一種可以運動的電磁波。麥克斯韋通過方程式計算出電磁波的速度，發現正好等于人們之前已知的光速。這有力地證明了光實際上是一種電磁波，而這一結論也很快得到驗證。

1905年，研究有了突破性進展。阿爾伯特·愛因斯坦指出，光在真空中的速度c是宇宙中速度的極限。根據其狹義相對論，宇宙中沒有任何物質的傳播速度能超過光速。

然而，這兩種理論都沒有充分解釋是什么決定了光速，或者什么可能決定光速。一種新理論認為，c的秘密也許可以從真空的本質中得以發現。

量子論提出之前，電磁學是解釋光的完整理論。今天，電磁學仍然非常重要，但產生了一個問題。為了計算真空中的光速，麥克斯韋應用了兩個常量的實驗測量值，分別稱作ε0和μ0，用來定義真空中電和磁場的特性。

問題在于，目前尚不清楚這些數據在真空中意味著什么。雖然電流和磁性實際上是由諸如電子這樣的帶電基本粒子運動形成的，但現在我們討論的是真空中的問題。真空中應該不存在任何粒子，不是嗎？

這就是量子物理學的切入點。高級版本的量子場論認為，真空并非真“空”，它只是一種“真空狀態”，是量子系統能量最低的狀態，是量子漲落產生瞬逝能量和基本粒子的競技場所。

什么是量子漲落？ 根據海森堡的不確定性原理，物理測量中總會有些不確定性。傳統物理學認為，我們能夠準確測得物體（比如靜止的臺球）的位置和動量，但這恰恰是不確定性原理否定的。海森堡認為，我們無法同時獲得這兩個數據，球似乎是輕微抖動的，只是這種抖動太微小，人類的測量器很難顯示出來。但在量子真空中，會產生微小的能量爆發或類似的事情，這種爆發以基本粒子的形式突然產生又瞬間消失。

勒克斯對經典電磁學和量子漲落的關系問題非常感興趣。

這種短暫的現象存在卻又像鬼魂一樣虛無，但產生的包括電磁在內的影響的確可以被測量到。這是因為量子真空的短暫刺激是以具有相同或相異電荷的粒子和反粒子對出現的，例如，電子和正電子。真空中的電磁場會改變這些粒子和反粒子對，產生電反應，同時由于磁場的影響產生磁場反應。這種現象為我們計算而非僅僅測量真空中的電磁性能提供了一種方法，從而導出光速c。

早在2010年，德國普朗克光學研究所的物理學家歌德·勒克斯及其同事就做了這樣一個實驗。他們利用量子真空中的虛粒子計算出了電常數ε0。之后，法國巴黎第十一大學的物理學家邁克·厄班及其同事受此啟發，根據量子真空中的電磁特性計算出了光速c。2013年，他們宣布利用他們的方法得出的數值準確無誤。

這個結果令人滿意，但并不那么明確。首先，厄班及其同事不得不做一些沒有根據的假設。這需要做全面的分析以及實驗，證明光速c確實可以從量子真空中獲得。然而，勒克斯告訴我說，他仍然對經典電磁學和量子漲落的關系十分感興趣，并因此一直在做一個完整量子場論指導下的精密分析。同時，厄班及其同事建議設計新的實驗，測試兩者之間的關系。因此，光速c最終會有一個更加基本的理論為根據，這個期望是合理的。然而， 問題就會迎刃而解嗎？

毫無疑問，光速c只是幾個基本常數或普適常數之一。人們認為這些常數適用于整個宇宙，而且恒定不變。比如，萬有引力常數G，用以描述整個宇宙的引力強度;在微觀尺度上，普朗克常數h確定量子效應的大小;電子電荷e 是電的基本單位。

常數的數值非常精確，例如，h的測量值就精確到了小數點后34位。但這些數字又提出了很多懸而未決的問題：它們真的恒定不變嗎？什么情況下它們是“基本”常數？它們為什么會有值？它們會告訴我們什么樣的物理事實？

“常數”是否真的恒定不變是一個古老的哲學爭議。亞里士多德認為，地球的構成與其他天體不同;哥白尼堅信，我們所在的地球無異于任何其他地方;當今科學遵從現代哥白尼學說，假設物理學定律適用于時空中的任何地方。但假設就是假設，它需要驗證（特別是G 和c 這樣的常數），以確保我們沒有誤解遙遠的宇宙。

諾貝爾獎獲得者保羅·狄拉克提出G可能隨著時間而變化。1937年，對宇宙哲學的思考令他認為G每年減少10-10。這對嗎？也許不對。對天體的重力觀測沒有發現G的下降，而且迄今也沒有跡象表明G在空間中會發生變化，它的測量值準確地描繪了太陽系行星的軌跡和航天器的運行軌道。除此之外，還有遙遠的宇宙發生的其他事情。射電天文學家最近證實，G能準確描述3750光年外脈沖星（超新星快速旋轉的殘留物）的發展狀況。同樣，也沒有任何可信的證據證明c在時間或空間中是變化的。

因此，我們假設這些常數真的恒定不變。那它們是基本常數嗎？與其他常數比，它們更“基本”嗎？這里的“基本”指什么？解答這個問題的一個辦法，就是找到誰是得出其他常數的最小常量集。在這里，有用的選擇只有h、c和G，共同代表了相對論和量子理論。

只有無量綱常數才是真正“基本”的數，因為它們獨立于任何的測量體系。

1899年，量子物理學的奠基人馬克斯·普朗克檢驗了h、c、G和物理現實三個維度之間的關系問題，每個被檢驗的物理量都用數值和維度共同描述。從這些關系中，普朗克導出了他的自然單位，得出普朗克單位下h、c和G的不同組合，我們能夠更深入地了解量子重力和早期的宇宙。

有些常數沒有維度量，通常被稱作無量綱常數。它們都是單純的數，比如，質子質量與電子質量的比值——1836.2。倫敦帝國理工學院的物理學家邁克爾·黛夫認為，只有無量綱常數才是真正基本的常數，因為它們獨立于任何測量體系;量綱常數則“只是人們的構想，它的數和值會因為單位的不同而不同”。

或許最有趣的無量綱常數是精細結構常數α。精細結構常數是1916年確定的，當時科學家用量子理論與相對論來解釋氫原子光譜中的精細結構。根據這一理論，精細結構常數α表示圍繞氫核運動的電子的速度和光速的比值。

今天，在量子電動力學（關于光和物質相互作用的理論）中，α是作用于電子上的電磁力強度，起著重要的作用。電磁力、引力、強核力和弱核力詮釋了宇宙的工作機制。但到目前為止，仍然沒有人能夠解釋α這個常數值，因為它既沒有明顯的前因作為參考，也缺乏有意義的關系線索。正如諾貝爾獎獲得者物理學家理查德·費因曼所說：“這個數字自發現以來一直是個謎……它是物理學中的一個謎：一個魔數來到我們身邊，可是沒人能理解它。你也許會說是‘上帝之手’寫下了這個數字，而‘我們不知道他是怎樣下的筆’。 ”

不管它是出自“上帝之手”，還是來自一些形成常數的真正基礎的物理變化過程，它身上明顯的隨意性讓物理學家抓狂。為什么是這些數？難道就沒有發生過變化？

一個解決這種令人煩惱的意外的辦法就是直面問題。這讓我們想起了人擇原理。人擇原理是一種哲學觀點，認為人類在自然界觀察到的一切是人類存在的緣故。簡言之，我們之所以發現這樣的常數，是因為如果它們非常不同，我們就不會發現。α值的一點細微變化都將改變宇宙。例如，如果恒星演化過程中沒有產生碳，那么碳基生命便不可能存在。人們就是基于這樣的考慮將α值限定為1/170至1/80，因為如果超出這個數值范圍，我們將不復存在。

但這些爭議并不排除存在常數值不同的其他宇宙空間的可能性。盡管那些宇宙空間也許并不適合人類居住，但想象一下我們能夠看到些什么，也是值得的。

令人稱奇的是，我們的這些宇宙定律都是緊密相關的。

比如，如果光速c再快點呢？對我們來說，光的傳播速度非常快，沒有什么能超越光速。但是光在遠程傳播中總能造成巨大的時間差。太空那么大，星光在到達我們之前也許已跋涉了億萬年。人類航天器的速度比光速要慢得多，這意味著我們永遠無法將宇航員送到這些星球上去。不過往好處想，時距讓望遠鏡變成了時光機，我們可以通過望遠鏡遙望億萬年前的星系。

假如光速c再快10倍，很多事情都會改變。地球上的通信問題將有所改善;遠程無線電信號的時距會減少;美國航空航天局可以更好地遙控無人飛船和星際探測器。但另一方面，加快的光速會擾亂我們回看宇宙歷史的能力。

那么假想一下時光放緩。我們可以看著它慵懶地從燈盞中悄然而出，慢慢地灑滿整個房間。盡管這對我們的日常生活沒有太大的用處，但有一個好處是，望遠鏡可以將我們帶回宇宙大爆炸時期。（某種程度上，慢光已經在實驗室里成功實現。1999年，研究人員將激光的速度降到了自行車的速度。之后，通過讓光穿過超冷原子氣體，一度將光速逼停。）

這么想想也很有趣。或許在不遠的宇宙中，這些假想狀況就真實地存在著。但是有一點令人稱奇，那就是我們的這些宇宙定律都是緊密相關的。勒克斯指出，將光速c與量子真空結合研究，會明顯地發現量子漲落“巧妙地嵌在”經典電磁學中，盡管電磁理論的提出比量子領域的發現早35年。這種關聯也恰好是量子效應影響整個宇宙的一個絕好實例。

如果存在多個宇宙，應用不同的常數值，根據不同的宇宙定律層層展開，人擇原理或許足以解釋我們眼中的宇宙的種種特性。某種意義上，這可能僅僅是一種運氣。但我不能確定，憑此是否就能成功地揭開事物的面紗。

也許多元宇宙的不同部分必須遵從它們自己的規律，以特殊的方式互相關聯;反過來，也可以想象一下那些宇宙互相關聯的種種不同方式。為什么多元宇宙是這樣的而不是那樣的？要想讓聰明的人類習慣事物的任意性似乎不太可能。 我們又走近了那個關于“存在”和“虛無”的古老的哲學謎題，這個謎目前也許沒有任何智慧之光可以參透。

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