光 速  自然界不可超越的極限

高文芳

我們都知道光速很快，大約每秒30萬公里，一秒鐘可繞地球七圈半。就是因為太快了，古希臘學者一直相信光速是無窮大。笛卡兒甚至還認為，光速如果不是無窮大，整個哲學體系都要重寫。

直到17世紀，丹麥天文學家羅莫發現木衛一每次月食開始的時間都不太一樣。而且，我們越靠近木星，月食開始時間越早。羅莫推估，這個時間差，就是光穿越地球軌道所需要的時間。只要知道地球繞太陽公轉的軌道半徑，就可以推估光速。當時由於精準度不太理想，羅莫的測量值，大約比精確值短少了約26%，不過這是首次測量出光速數值，也確認了光速是有限的，而不是無窮大。

1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，更大膽地做了一個假設：真空中的光速在等速相對運動的座標系中都相同，意味著即使我們等速朝著光源跑，看到的光速也不會增加。以前有位助教在上相對論課時，講了一個笑話：某甲以0.8光速，乙以0.7光速互相接近，這樣甲看乙接近的速度，不就應該超過光速嗎？事實上，當我們看著高速運動的物體乙時，不但同向的長度會縮短，上面的時鐘也會走得比較慢，也就是乙的時空會隨著運動而扭曲，我們看到的會是一個非常奇異的世界。愛因斯坦的假設經過了多次實驗證實，後來造成深遠的影響，然而實在是超乎想像，對一般民眾而言，恐怕是20世紀最震撼的結果。

也因為光速在任何時間、任何地點量都一樣，所以1983年，國際度量衡標準局正式將一公尺的定義改成光行進1/299 792.458 0秒的距離。從那天開始，精確測量光速的意義，變成精確測量一公尺的長度為何。

有質量的物體，運動速率永遠沒有辦法超過光速，則是相對論的另一個重要結論。根據愛因斯坦的狹義相對論，質能可以互變，其公式就是。而且有質量的物體，一旦動起來，質量不但會增加，而且速率一旦接近光速，物體的質量，也就是能量會急速飆升，當速率挺進到光速時，能量就會變成無窮大。換句話說，要把有質量的物體加速，剛開始還算古典的困難，一旦速率越來越快，加速就會越來越困難，需要補給的能量當然就會越來越不像話。不難想像，任何有質量的物體，想要達到光速，絕對是不可能的任務。

光速是不可超越的這件事，在歷史上也曾遇上不少挑戰，但後來全以失敗告終。愛因斯坦和波耳的世紀大論戰，最後發現兩個纏結的基本粒子，即使距離再遙遠，也會透過量子效應瞬間互動，好像雙生子的心電感應。愛因斯坦認為這個結果違背相對論，但是有人認為這些量子互動，可能是經由微觀蠹孔傳遞，並沒有違背相對論。

另外最近很熱門的微中子超光速事件，最後則被證實是烏龍一場。雖然我們無法證明一個理論是對的，但是相對論的普適性，至今沒有任何可信的反證，因此多數物理學家相信，光速是不可超越的極限。