光速與天文學(xué)的不解之緣

□ 蕭耐園

光速與天文學(xué)的不解之緣

□ 蕭耐園

1015年，伊拉克物理學(xué)家海什木發(fā)表了五卷本光學(xué)著作，系統(tǒng)描述了當(dāng)時(shí)人們對(duì)“光”和“像”的認(rèn)識(shí)，被視為光學(xué)的開山之作。2015年，歷史正好走過(guò)一千年。一千年來(lái)，人類對(duì)光的研究與探索，一直在繼續(xù)。1815年菲涅爾提出光波概念，揭示出光的波動(dòng)屬性；1865年麥克斯韋提出光電磁傳播理論，將人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)提升到了一個(gè)嶄新的高度；1905年愛因斯坦提出光量子概念，成功地解釋了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，十年之后的1915年，愛因斯坦的廣義相對(duì)論震撼面世，指出光線在宇宙空間受到引力場(chǎng)的作用是可以發(fā)生彎曲的；1965年彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射……光，存在于自然，記錄著歷史。2015年被聯(lián)合國(guó)命名為國(guó)際“光之年”（International Year of Light），以宣傳和普及人類歷史上那些與“光”有關(guān)的重大科技成就。本文講述了光速的測(cè)定及其與天文學(xué)結(jié)下的不解之緣。

——編者按

光速的首次測(cè)定

古希臘學(xué)者曾經(jīng)認(rèn)為光的傳播不需要時(shí)間，也就是說(shuō)光速無(wú)限大。這種觀念一直延續(xù)到近代，影響了那時(shí)的學(xué)術(shù)界。笛卡爾認(rèn)為光速無(wú)限，伽利略卻持否定觀點(diǎn)。伽利略曾經(jīng)設(shè)計(jì)并親自做了實(shí)驗(yàn)。他和他的助手在夜間相隔數(shù)千米遠(yuǎn)面對(duì)面地站著，每人拿一盞燈，燈有開關(guān)，開始把每盞燈都關(guān)上。伽利略先打開燈，一束光向助手方向射去，助手看到光后立即打開自己的燈。伽利略試圖測(cè)出從他開燈到他看到助手燈光之間的時(shí)間差，從而測(cè)出光速。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗了，因?yàn)楣獾膫鞑ニ俣忍臁，F(xiàn)在知道，想要通過(guò)這種方法測(cè)出光速，必須能測(cè)出十萬(wàn)分之一秒的時(shí)間差，這在當(dāng)時(shí)是完全不可能的。伽利略轉(zhuǎn)而提出借用天文學(xué)的方法來(lái)測(cè)量光速，然而無(wú)從著手。不過(guò)他的這個(gè)想法啟迪了天文學(xué)家G .卡西尼。

因?yàn)楣獾膫鞑ニ俣忍於^測(cè)者之間的距離有限，利用看到對(duì)方燈光的時(shí)間差來(lái)測(cè)定光速，是難以實(shí)現(xiàn)的。伽利略的實(shí)驗(yàn)雖然失敗了，但他擂響了人類測(cè)量光速的戰(zhàn)鼓。

羅默測(cè)定光速原理示意圖。

卡西尼當(dāng)時(shí)擔(dān)任巴黎天文臺(tái)首任臺(tái)長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事木星和木衛(wèi)的觀測(cè)以及它們運(yùn)動(dòng)的研究，在此基礎(chǔ)上編制木星和木衛(wèi)的星歷表。木衛(wèi)會(huì)被木星掩食，這種現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)候，地面上到處可以在同一瞬間看到，能用以解決海上測(cè)定經(jīng)度的問(wèn)題。所以，當(dāng)時(shí)西歐各航海大國(guó)十分重視編制精密的木衛(wèi)星歷表?？ㄎ髂嵊?668年編成第一本木衛(wèi)星歷表，以后更多次反復(fù)研究這一問(wèn)題。丹麥青年天文學(xué)家羅默來(lái)到巴黎天文臺(tái)進(jìn)修，在卡西尼指導(dǎo)下參與木衛(wèi)被食的觀測(cè)并研究光速的問(wèn)題。

羅默把木衛(wèi)被食時(shí)刻的實(shí)際觀測(cè)值與卡西尼的木衛(wèi)（特別是木衛(wèi)一）星歷表所載木衛(wèi)的被食時(shí)刻相比，發(fā)現(xiàn)兩者有差弄，周期性地有時(shí)超前有時(shí)滯后。1676年，他宣布木衛(wèi)運(yùn)行的周期性差異是由于光線從木星到達(dá)地球需要時(shí)間。他估算出光線越過(guò)地球軌道直徑需時(shí)約22分鐘（今測(cè)值為16分38秒），并根據(jù)當(dāng)時(shí)的地球軌道數(shù)值算得光速約為21萬(wàn)千米/秒。這是人類歷史上光速的首次測(cè)定。這個(gè)結(jié)果雖然誤差較大，但是以確鑿的觀測(cè)事實(shí)打破了自古以來(lái)光速無(wú)限的傳統(tǒng)觀念，也為半個(gè)世紀(jì)后布拉得雷發(fā)現(xiàn)光行差做了理論準(zhǔn)備。光速的精確測(cè)定是在過(guò)了近200年，科學(xué)技術(shù)有了巨大進(jìn)展后才得以實(shí)現(xiàn)。1849年和1850年兩位法國(guó)物理學(xué)家菲索和傅科各自獨(dú)立地在地面實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了光速，得到與現(xiàn)代值接近的結(jié)果。

光行差的發(fā)現(xiàn)

1725年11月，英國(guó)天文學(xué)家布拉得雷和莫利紐克斯在倫敦郊外架起了一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，打算測(cè)量恒星視差。望遠(yuǎn)鏡的鏡筒直指天頂，并始終固定在這個(gè)方向上。在這個(gè)觀測(cè)地點(diǎn)，天龍座γ正巧在天頂附近過(guò)上中天。望遠(yuǎn)鏡的目鏡端裝上了螺旋測(cè)微器，每當(dāng)這顆星上中天時(shí)，測(cè)量它的位置。經(jīng)過(guò)1年的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)星像在視場(chǎng)內(nèi)擺動(dòng)，星像的軌跡在1年間描繪一個(gè)橢圓，也就是說(shuō)擺動(dòng)周期為1年，橢圓的長(zhǎng)軸達(dá)20″。恒星的視差不可能這么大。為了驗(yàn)證觀測(cè)結(jié)果，布拉德雷在1727年又對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的其他幾顆恒星做了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)它們的情況類似。他歸納這些觀測(cè)現(xiàn)象后認(rèn)為，所有星像在視場(chǎng)內(nèi)的擺動(dòng)與單個(gè)恒星的視差完全不同，而是各個(gè)恒星共有的效應(yīng)，擺動(dòng)的振幅都一樣，但瞬時(shí)的大小隨地球在軌道上的運(yùn)行方向而變化，所以才呈現(xiàn)1年的周期。

這種現(xiàn)象是被他們首次發(fā)現(xiàn)的，起初很難理解。布拉得雷曾多次尋求各種原因去解釋這種現(xiàn)象，但都難以自圓其說(shuō)。據(jù)說(shuō)有一次他在泰晤士河上乘船航行，注意到船轉(zhuǎn)向時(shí)，船上風(fēng)向標(biāo)相對(duì)于船體也轉(zhuǎn)向。他詢問(wèn)船員后得知風(fēng)向并未改變，風(fēng)向標(biāo)相對(duì)于船體的變動(dòng)乃因船本身轉(zhuǎn)向而引起，即風(fēng)速與船速合成的結(jié)果。于是他恍然大悟，若把來(lái)自茫茫宇宙的恒星光線比作空中吹動(dòng)的風(fēng)，地球則如同太空中的航船。人們?cè)谕h(yuǎn)鏡里觀測(cè)到的星像，正是光線傳播與地球公轉(zhuǎn)兩種速度合成的結(jié)果。1728年布拉得雷向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)報(bào)告了觀測(cè)過(guò)程和結(jié)果，以及自己對(duì)于其原因的探討。這就宣告了光行差的發(fā)現(xiàn)。

下雨的時(shí)候，設(shè)想雨滴垂直地從天上落下，而你靜止不動(dòng)時(shí)，你將看到雨滴就是垂直飄落。當(dāng)你向前行走時(shí)，你會(huì)看到雨絲偏斜著從天而降。你走得越快，雨絲傾斜得越厲害。

在地球上的觀測(cè)者，由于地球相對(duì)于恒星的運(yùn)動(dòng)（公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)），看到的恒星光線的方向，與假如地球靜止時(shí)看到的不同。

光行差對(duì)全天所有恒星的觀測(cè)位置（即視位置）都有影響。如上所述，它的起因是由于光速有限以及觀測(cè)者與被觀測(cè)對(duì)象之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在我們的日常生活中，也能觀察到類似的現(xiàn)象。例如在下雨的時(shí)候，設(shè)想雨滴垂直地從天上落下，而你正坐在一個(gè)車廂里，若車靜止不動(dòng)，你將看到雨滴垂直地飄落在車窗上。但是，當(dāng)車向前開行時(shí)，你會(huì)看到雨絲偏斜著打向車窗。車開得越快，雨絲傾斜得越厲害。其實(shí)，雨絲傾斜的角度是與車開行的速度與雨滴下落速度之比有關(guān)。這個(gè)比值越大，傾斜的角度也越大。這個(gè)例子說(shuō)明，當(dāng)觀測(cè)者與被觀測(cè)對(duì)象之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，后者相對(duì)于前者的觀測(cè)方向會(huì)發(fā)生改變。來(lái)自恒星的光線就像這里的雨滴，在地球上的觀測(cè)者，由于地球相對(duì)于恒星的運(yùn)動(dòng)（公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)），看到的恒星光線的方向，與假如地球靜止時(shí)看到的不同。恒星光線由于地球公轉(zhuǎn)引起傳播方向偏轉(zhuǎn)，稱為周年光行差。光速達(dá)30萬(wàn)千米/秒，而地球公轉(zhuǎn)的速度只不過(guò)它的萬(wàn)分之一（自轉(zhuǎn)的速度更小得多）。周年光行差造成的恒星光線偏轉(zhuǎn)角最大約20〞，這種影響因不同恒星、不同時(shí)間和不同觀測(cè)地點(diǎn)而改變，在精密天體測(cè)量中必須加以改正。可是在18世紀(jì)之前，這么小的效應(yīng)，人們是難以察覺的。

光行差的發(fā)現(xiàn)不僅為實(shí)測(cè)恒星位置提供了一項(xiàng)基本改正，而且也可以認(rèn)為直接“觀測(cè)”到了地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)。這是繼伽利略發(fā)現(xiàn)金星位相變化，為哥白尼的日心地動(dòng)說(shuō)提供觀測(cè)證據(jù)之后，又一個(gè)觀測(cè)證據(jù)。

光行差與邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)

早期的古希臘學(xué)者認(rèn)為在宇宙空間運(yùn)行的天體，就像空中的飛鳥由空氣承載一樣，也必須由某種物質(zhì)承載，并把這種充斥在宇宙空間的物質(zhì)命名為以太。以太透明、無(wú)質(zhì)量、有彈性，并能滲透到任何物質(zhì)和空間。以太的觀念一直延續(xù)到20世紀(jì)的物理學(xué)界，其間以太不斷地被賦予新的功能，成為近代物理學(xué)上的重要概念。19世紀(jì)，惠更斯創(chuàng)立了光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)，認(rèn)為光波正是有賴于以太作為介質(zhì)才能傳播。19世紀(jì)下半葉，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋基于以太的彈性性質(zhì)，從當(dāng)時(shí)已知的電學(xué)和磁學(xué)定律導(dǎo)出了一組電磁場(chǎng)方程，創(chuàng)立了電磁場(chǎng)理論，這樣以太又成了電磁場(chǎng)的承擔(dān)者和電磁波的傳播者。

從19世紀(jì)以來(lái)，隨著對(duì)光線性質(zhì)的深入研究，人們對(duì)在以太中運(yùn)動(dòng)的物體與以太的關(guān)系產(chǎn)生了爭(zhēng)論。例如地球在宇宙空間運(yùn)行，有人認(rèn)為地球表面的以太是完全被地球順著拖曳，高層的以太僅僅是部分被拖曳，而更遠(yuǎn)的以太則靜止在空間之中?？墒歉嗟奈锢韺W(xué)家傾向于以太不跟著運(yùn)動(dòng)物體一起漂移。在經(jīng)典物理學(xué)家看來(lái)，地球在以太的汪洋大海中遨游。以太是絕對(duì)靜止的介質(zhì)，地球與以太之間必有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此地面上的光源向不同方向發(fā)出的光線將在“以太風(fēng)”的影響下相對(duì)于地面觀察者具有不同的速度，這用光學(xué)方法應(yīng)該能測(cè)得出來(lái)。

1881年美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜到光學(xué)技術(shù)較為發(fā)達(dá)的德國(guó)學(xué)習(xí)。當(dāng)時(shí)利用干涉原理進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的方法已經(jīng)應(yīng)用到許多實(shí)驗(yàn)中，并且已有商品型的成套儀器面市。他在柏林大學(xué)的亥姆霍茲實(shí)驗(yàn)室開始籌劃用干涉方法檢測(cè)在地球運(yùn)動(dòng)中，以太究竟是靜止還是運(yùn)動(dòng)的。他吸收了已有儀器的長(zhǎng)處，創(chuàng)制了一種干涉儀用于以太漂移速度的測(cè)量。但是由于環(huán)境的干擾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很差。于是改到波茨坦天文臺(tái)的地下室重做了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在同年4月完成，結(jié)果顯示沒有觀測(cè)到地球相對(duì)于以太的漂移，但是結(jié)論不能肯定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表后，立即引起了物理學(xué)界的非議。有人指責(zé)他的論文中公式推導(dǎo)有錯(cuò)誤，有人認(rèn)為儀器粗糙，結(jié)果不可信賴。邁克爾遜自己也覺得實(shí)驗(yàn)不成功。

邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)示意圖。邁克爾遜和莫雷將干涉儀裝在十分平穩(wěn)的大理石上，并讓大理石漂浮在水銀槽上，可以平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)。并當(dāng)整個(gè)儀器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)連續(xù)讀數(shù)，這時(shí)該儀器的精確度為0.01%，即能測(cè)到1/100條條紋移動(dòng)，用該儀器測(cè)條紋移動(dòng)應(yīng)該是很容易的。邁克爾遜和莫雷設(shè)想：如果讓儀器轉(zhuǎn)動(dòng)90°，光通過(guò)M1、M2的時(shí)間差應(yīng)改變，干涉條紋要發(fā)生移動(dòng)，從實(shí)驗(yàn)中測(cè)出條紋移動(dòng)的距離，就可以求出地球相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng)速度，從而證實(shí)以太的存在。在此之后的許多年，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)又被重復(fù)了許多次，所得結(jié)果都是零，即未觀測(cè)到地球相對(duì)“以太”的運(yùn)動(dòng)，否定了“以太”的存在，為愛因斯坦建立狹義相對(duì)論開辟了道路。

1887年邁克爾遜和美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家莫雷合作，改進(jìn)了測(cè)量?jī)x器，在美國(guó)又做了一次實(shí)驗(yàn)（史稱“邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)”），以確鑿的結(jié)論，肯定了以太被地球帶動(dòng)（即地球附近的以太相對(duì)于地球靜止）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與光行差現(xiàn)象是完全矛盾的，因?yàn)楹阈堑墓庑胁?，表明地球?9.8千米/秒的速度相對(duì)于以太運(yùn)行。這樣，這個(gè)矛盾就成了籠罩在經(jīng)典物理學(xué)大廈上的“一朵烏云”，標(biāo)志著經(jīng)典物理學(xué)出現(xiàn)了危機(jī)。當(dāng)時(shí)，以太理論頑強(qiáng)地占據(jù)在學(xué)術(shù)界，面對(duì)這朵“烏云”，人們并不懷疑以太的存在，堅(jiān)信光波是以太的振動(dòng)。不過(guò)，我們將會(huì)看到，這次危機(jī)引起了對(duì)“以太假設(shè)”的否定，并確定了光速不變?cè)?，從而?dǎo)致相對(duì)論的建立。

在這一背景之下，愛爾蘭物理學(xué)家菲茨杰拉德和荷蘭物理學(xué)家洛倫茲為了突破上述理論上和實(shí)驗(yàn)上的困境，各自于1904年獨(dú)立地做出了大膽的假定：運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)比它靜止時(shí)短。基于這個(gè)假定，邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫浇忉?。不過(guò)還是把以太看作相對(duì)于絕對(duì)空間是靜止的，不隨地球而運(yùn)動(dòng)。

在地球公轉(zhuǎn)方向和與它相垂直的方向的光速之間找不到任何差別

光速是宇宙間一切運(yùn)動(dòng)速度的上限，即沒有物體的運(yùn)動(dòng)速度能夠超過(guò)光速。

愛因斯坦從自然界統(tǒng)一性的信念出發(fā)，認(rèn)為問(wèn)題一定在于經(jīng)典物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，因此認(rèn)為克服經(jīng)典物理學(xué)危機(jī)的出路在于對(duì)整個(gè)理論基礎(chǔ)進(jìn)行根本性的變革。經(jīng)典物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，即時(shí)間和空間是與外界事物無(wú)關(guān)的絕對(duì)存在。愛因斯坦從考察兩個(gè)在空間上分隔開的事件的“同時(shí)性”問(wèn)題入手，否定了沒有經(jīng)驗(yàn)根據(jù)的絕對(duì)同時(shí)性。愛因斯坦又得出一個(gè)重要結(jié)論：光速在真空中是一個(gè)恒定的常數(shù)。他把這個(gè)結(jié)論稱為光速不變?cè)?。又用這條原理說(shuō)明兩個(gè)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者都能看到對(duì)方的尺度變短，時(shí)間進(jìn)程變慢，從而摒棄了牛頓的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間的觀念，認(rèn)為空間和時(shí)間不可分割。愛因斯坦就此否定了絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間，也否定了與絕對(duì)空間相聯(lián)的以太的存在，解決了19世紀(jì)末出現(xiàn)的經(jīng)典物理學(xué)的危機(jī)，創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，推動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)理論的革命。愛因斯坦還推斷出一個(gè)結(jié)論：光速是宇宙間一切運(yùn)動(dòng)速度的上限，即沒有物體的運(yùn)動(dòng)速度能夠超過(guò)光速。這已經(jīng)成為物理學(xué)上一條鐵定的規(guī)律。

光速在天文學(xué)上的應(yīng)用

光速既是物理量也是天文量，它在天文學(xué)上廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，光速c和牛頓引力常數(shù)G一起被納入天文常數(shù)系統(tǒng)。當(dāng)前光速的采用值是c=299 792.458千米/秒，在很多情況下我們可以用它的近似值30萬(wàn)千米/秒。這里，我們列舉一些例子，以示光速在天文學(xué)上應(yīng)用之一斑。

光年是大家耳熟能詳?shù)囊粋€(gè)天文學(xué)距離單位，普遍應(yīng)用于計(jì)量天體之間的距離。1光年等于光線在真空中傳播1年經(jīng)過(guò)的距離，1年有31556925秒，此值與光速相乘得94 605億千米，近似等于9.5萬(wàn)億千米。

前面講到周年光行差引起恒星位置的最大偏離約20〞，這與一個(gè)稱為周年光行差常數(shù)的量有關(guān)，它定義為地球公轉(zhuǎn)平均速度與光速的比值，即29.8 /299800=0.0000994弧度=20. "5。其實(shí)它就是周年光行差的振幅，所以是位置偏離的最大值。

天文學(xué)家在所拍攝的天體光譜中能發(fā)現(xiàn)實(shí)際的譜線位置相對(duì)于正常位置有偏離，稱為譜線位移。產(chǎn)生譜線位移的主要原因是被測(cè)天體相對(duì)于觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，這在物理學(xué)上稱為多普勒效應(yīng)。根據(jù)觀測(cè)到的多普勒效應(yīng)能計(jì)算出天體，例如恒星、河外星系等相對(duì)于我們的運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算中必須應(yīng)用光速。宇宙學(xué)中重要的宇宙膨脹現(xiàn)象，就是通過(guò)計(jì)算河外星系的退行（即遠(yuǎn)離）速度得出的結(jié)論。此外，在諸如測(cè)量天體的自轉(zhuǎn)、雙星的繞行、移動(dòng)星團(tuán)的距離、噴流的運(yùn)動(dòng)等許多方面都要用到多普勒效應(yīng)。

許多類星體都有噴流，類星體本身和噴流都是射電源。20世紀(jì)70年代天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)3C 345、3C 273等幾個(gè)類星體和它們的噴流以很高的速度分離，速度大到顯著地超過(guò)光速。例如，3C 273的噴流，長(zhǎng)約300光年，噴向與我們的視線小于2°的方向，以光速的0.997倍的速度運(yùn)動(dòng)。它們的射電輻射主要來(lái)自兩個(gè)子源，分別稱為3C 273B和3C 273A，在光學(xué)上B對(duì)應(yīng)于3C 273的本體，A接近噴流的端點(diǎn)。從1991年至1998年的射電觀測(cè)表明A在遠(yuǎn)離B運(yùn)動(dòng)，在7年內(nèi)兩者角距增加了0.0017″。3C 273的距離為31億光年，由此算出射電噴流移動(dòng)了約25光年。7年移動(dòng)25光年，速度約為光速的3.6倍！這稱為視超光速運(yùn)動(dòng)。這一現(xiàn)象剛發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，在學(xué)術(shù)界引起了軒然大波，產(chǎn)生了普遍的懷疑情緒，甚至有人批判狹義相對(duì)論和宇宙學(xué)紅移的觀念。

現(xiàn)在普遍接受的一種解釋認(rèn)為這是透視的錯(cuò)覺，即觀測(cè)者的視線把類星體和它的噴流一起投影到天球背景上，認(rèn)為它們位于同一距離處。把噴流誤認(rèn)為超光速源的關(guān)鍵因素在于噴流的速度接近于光速c，而且它的方向與視線相交成不大的角度。實(shí)際上，噴流以這么大的速度，在一定的方向運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)在很大程度上靠近了我們。也就是說(shuō)，噴流的距離比類星體要近得多。但是我們還是拿類星體的距離去計(jì)算噴流的運(yùn)動(dòng)速度，這就產(chǎn)生了不合理的結(jié)果。如果射電噴流的速度遠(yuǎn)小于光速，或者噴流方向與視線的交角很大，譬如在天球切面內(nèi)，則不會(huì)出現(xiàn)視超光速運(yùn)動(dòng)。

太陽(yáng)和所有恒星向宇宙空間發(fā)送著巨大的能量，這來(lái)自核心的氫聚變反應(yīng)，即4個(gè)氫原子核聚變成1個(gè)氦原子核。反應(yīng)后產(chǎn)物的質(zhì)量小于原料的質(zhì)量，這少掉的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了巨大的能量，滿足愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式：

E=mc2

式中E為能量，m為質(zhì)量，c為光速。天文學(xué)家運(yùn)用這個(gè)關(guān)系式去研究恒星內(nèi)部的產(chǎn)能機(jī)制，還可以計(jì)算出太陽(yáng)的氫原子消耗率，當(dāng)它核心的氫燃料消耗殆盡時(shí)，它便失去了勃勃生機(jī)，宣告死亡。由此算出太陽(yáng)的壽命約100億年。它誕生于50億年前，還有50億年的壽命。

光速在天文學(xué)上廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域

隨著時(shí)間計(jì)量和天文定位精度的提高，必須在時(shí)間計(jì)量以及行星和人衛(wèi)的定軌計(jì)算中計(jì)及相對(duì)論效應(yīng)。現(xiàn)代時(shí)間尺度就是在相對(duì)論框架里確定的。根據(jù)相對(duì)論的理論，在不同坐標(biāo)系里和不同引力場(chǎng)里的時(shí)間進(jìn)程（形象地稱為鐘速）是不同的。相對(duì)論定義了與坐標(biāo)系及其運(yùn)動(dòng)有關(guān)的一些時(shí)間概念如原時(shí)和坐標(biāo)時(shí)等。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鐘所指示的時(shí)間稱為該鐘的原時(shí)，常用希臘字母τ來(lái)標(biāo)記，是可以直接測(cè)量的。譬如地球上的一只鐘，相對(duì)于地面觀測(cè)者靜止，那么可以用τ來(lái)指示觀測(cè)者所在地的時(shí)間，但是要拿這只鐘指示的時(shí)間τ去計(jì)量人造衛(wèi)星上、月球上或某個(gè)行星上的時(shí)間進(jìn)程，則不行了，因?yàn)槟切┨祗w相對(duì)于觀測(cè)者在運(yùn)動(dòng)，那里的鐘速與觀測(cè)者所在的地面上的鐘速不同。根據(jù)狹義相對(duì)論兩者的關(guān)系為：

左圖：類星體3C 273在7年期間的5個(gè)射電像。左端的紅色亮點(diǎn)是不動(dòng)的核。最右端的藍(lán)色和綠色斑塊是噴流的一部分，即被觀測(cè)對(duì)象。右圖：O代表類星體，P代表噴流，實(shí)際上噴流比類星體離觀測(cè)者要近得多。

其中t稱為坐標(biāo)時(shí)，v為天體與地面觀測(cè)者的相對(duì)速度。地面觀測(cè)者要計(jì)量那些天體上的時(shí)間進(jìn)程，必須作上述換算，換算因子中包含著光速c。

利用愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式推算，我們的太陽(yáng)還有50億年的壽命。

此外，各個(gè)天體上的引力場(chǎng)各不相同，由此也引起鐘速各異，這時(shí)要考慮廣義相對(duì)論效應(yīng)，天文學(xué)家定義了多種“力學(xué)時(shí)”（如下式中之TDB和TT，都屬于坐標(biāo)時(shí)），需要通過(guò)愛因斯坦引力場(chǎng)方程進(jìn)行換算。下面我們只展示一個(gè)公式，但不一一說(shuō)明公式本身和其中各量的意義，其中光速c赫然可見：

在現(xiàn)代精密天體測(cè)量、人造衛(wèi)星和宇宙飛船的精密定軌和精密星歷表的編制等工作中，類似上列換算公式的一系列公式被廣泛地使用。順便說(shuō)明，凡在廣義相對(duì)論框架內(nèi)研究的場(chǎng)合，都會(huì)用到光速，因?yàn)楣馑偈且?chǎng)方程里必不可少的參數(shù)。

許多類星體都有噴流，類星體本身和噴流都是射電源。

根據(jù)相對(duì)論的理論，在不同坐標(biāo)系里和不同引力場(chǎng)里的時(shí)間進(jìn)程（形象地稱為鐘速）是不同的。

黑洞是現(xiàn)代天體物理學(xué)研究的前沿課題。1915年12月，在愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論后不久，德國(guó)物理學(xué)家史瓦西解算引力場(chǎng)方程，預(yù)言存在后來(lái)被稱為黑洞的天體。他發(fā)現(xiàn)黑洞被一個(gè)封閉的界面即視界包圍，視界內(nèi)外的時(shí)空性質(zhì)截然不同。他算出黑洞視界的半徑R為：

其中G為牛頓引力常數(shù)，m為黑洞質(zhì)量。視界是黑洞最重要的特性，這里我們又看到了光速c。對(duì)于黑洞這類具有超強(qiáng)引力場(chǎng)的天體及其周圍物質(zhì)所處的高能和高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都必須納入廣義相對(duì)論的框架去研究。

廣義相對(duì)論實(shí)質(zhì)上是一個(gè)關(guān)于時(shí)間、空間和引力的理論，現(xiàn)代宇宙學(xué)從整體上研究由引力主導(dǎo)的宇宙時(shí)空的大尺度結(jié)構(gòu)及其演化，必須以廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)。歷史上，正是愛因斯坦通過(guò)解引力場(chǎng)方程得到了第一個(gè)現(xiàn)代宇宙學(xué)解，建立了一個(gè)有限無(wú)界的靜態(tài)宇宙模型，給出了關(guān)于時(shí)間和空間的現(xiàn)代解釋，奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。從此以后，在宇宙學(xué)發(fā)展史上所出現(xiàn)的種種宇宙模型，包括大爆炸宇宙模型，無(wú)不遵循這個(gè)原則。隨手打開宇宙學(xué)的一本專著，往往能一眼瞥見一個(gè)公式里字母c的窈窕身影。例如，在宇宙學(xué)上有一個(gè)重要概念“哈勃長(zhǎng)度”，起到了宇宙標(biāo)尺的作用，它的表達(dá)式是LH=c/H0，這里又看到c了吧。

天文學(xué)家觀測(cè)到來(lái)自天空各個(gè)方向的微波背景輻射是高度均勻和各向同性的。在光速有限的情況下，必須引入暴脹學(xué)說(shuō)才能解釋這一現(xiàn)象?，F(xiàn)在暴脹學(xué)說(shuō)已經(jīng)成為大爆炸宇宙學(xué)的重要組成部分，成功地解決了一些疑難問(wèn)題。

在現(xiàn)代宇宙學(xué)里，光速c和牛頓引力常數(shù)G被看作宇宙的基本常數(shù)。這兩個(gè)常數(shù)決定了我們這個(gè)宇宙是呈現(xiàn)在我們面前的這個(gè)狀態(tài)，沿著我們已經(jīng)了解的這個(gè)方向演化。換句話說(shuō)，如果c和G的數(shù)值不同，宇宙的狀態(tài)（甚至包括生命的形態(tài)）當(dāng)前將呈現(xiàn)為另外一種，它的演化歷程也將不同?？梢哉f(shuō)，正是光速的這個(gè)數(shù)值，注定了有這樣一個(gè)作者，寫出了這篇描述光速的文章，又有這樣一位讀者正將讀完這篇文章。

光速絕不是一串冷冰冰的數(shù)字，它活躍在天文學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，甚至還關(guān)聯(lián)著我們的昨天、今天和明天。

（責(zé)任編輯 張恩紅）

德國(guó)物理學(xué)家史瓦西發(fā)現(xiàn)黑洞被一個(gè)封閉的界面即視界包圍，視界內(nèi)外的時(shí)空性質(zhì)截然不同。視界是黑洞最重要的特性。