Chapter 02
真空中的光速：c
快得不得了的光速
規範了這個世界的物理定律中，有許多物理常數，真空中的光速就是其中一個非常基本的常數。我們會用c這個符號來表示這個數，其值為
c=299792458m/s
也就是每秒鐘前進30萬公里的速度。地球一圈約為4萬公里，所以我們常用光速1秒內可繞地球7圈半來說明光速有多快。
不過，筆者小時候聽到這樣的說明時，總覺得有種違和感。因為小時候的我，很難想像光會繞著地球轉7圈半。光不是一直都是直線前進的嗎？
當我聽到這種說明時，都必須暫時忘記地球是圓的這個事實。所以我覺得不要用這種方式說明光速比較好。我們可以假設有好幾個地球排成一列，而光在1秒內可以前進23.5個地球直徑的距離，雖然這個數字有些不乾不脆。
先不管這個，從日常生活的角度看來，光的速度快得不可思議，對人類來說只是一瞬間的事。為什麼光是這個速度？物理學無法告訴我們答案。我們只能透過測量得到這個速度，無法從任何理論推導出這個數字，這是第1章中提到的所有物理常數的共通性質。
光在物質中的速度，以及在真空中的速度並不相同。本書中提到光速時，都是指真空中的光速。
公尺的定義與光速
光速的數值原本是由實驗觀測決定的測量值，不過1960年起便不再如此。在這之前，1公尺的長度是由世界唯一的棒狀「公尺原器」決定的。然而，從1960年起，公尺便改由光速決定。
若排除誤差的影響，不論誰來測量，真空中的光速都是相同數值。於是，人們決定將1公尺定義成真空中的光在1秒內前進距離的299792458分之1。而光速的數值也不再有誤差，而是剛好等於本章開頭列出的數值。
之所以會用這種不乾不脆的數值來定義光速，是為了不和過去定義的1公尺長度有太大的誤差。如果將光速定義成整數的300000000 m/s（30萬km/s），也許會比較好記、比較方便。但如此一來，1公尺的長度就會縮短0.7 公釐，造成混亂。除非有個能夠掌控全世界的獨裁者跳出來，不然不可能做出這樣的變更。
每個人的時間與空間尺度並不相同
光速誰來測都一樣，這句話其實和我們的常識有很大的矛盾。因為這表示，不管觀測者處於靜止狀態、追著光前進，還是和光反方向前進的狀態，都會測到相同的光速。一般來說，當我們追著物體前進時，測到的速度應該會比物體真正的前進速度來得慢；當我們的前進方向與物體相反時，則會測到較快的速度。但光卻不是如此。
乍看之下似乎有矛盾，不過在愛因斯坦提出相對論之後，這個矛盾便消失了。因為對每個人來說，時間和空間的尺度本來就各不相同。
由相對論提到的時空性質可以知道，物體的移動速度無法超過光速，或者資訊傳遞速度無法超過光速。電訊號透過電線傳輸的速度也接近光速，但電訊號的速度仍無法超過光速。
要是光速改變的話
這裡讓我們想像一下，假設原本是30萬km/s的光速大幅改變的話，會發生什麼事。其中，我們假設1 公尺的長度仍不變，只有光速本身改變。由這種假設狀況，應該可以想像得到光速的重要性。
即使光速變得比原本還要快，人類應該也不會有什麼感覺才對。因為對人類來說，光速已經相當快了，電訊號也是透過光速傳遞，所以電腦的資訊處理速度也相當快。另外，要是光速變得更快，光波的波長就會被拉長，使光的波動性變得更為顯著，想必我們眼中的世界也會變模糊吧。
相反的，如果光速變得極度緩慢，那麼世界大概會產生劇烈的變化吧。光速變慢會影響到原子與分子的化學性質，使這個世界變得不適合人類生存。這裡我們就假設，在光速變得極度緩慢的世界中，有另一種可以觀察世界的智慧生命體吧。
要是光速變得極度緩慢，那麼在廣義相對論（一般相對論）的效果下，眼前的光會直接墜落到地球上。也就是說，光無法離開地球。這表示地球會成為一個黑洞。但要是地球成了黑洞，就不可能有生物誕生。為了不讓地球成為黑洞，便需假設此時的地球也變得相當輕。也就是說，這個假想世界中，重力的效果可以無視。
如果把條件設得更極端，假設這個假想世界中的光速是現實世界的3000萬分之1，也就是光速c = 10 m/s，即36 km/h。
這時，不只是光，所有粒子與物體的時速都不會超過36公里。不管是多快的交通工具，時速都不能超過36公里，汽車自然也無法開到時速60公里。
在一個光速極度緩慢的世界中搭乘汽車
假設在這樣的假想世界中，有一台時速30公里的汽車。由相對論可以知道，此時會出現勞倫茲收縮效應。所謂的勞倫茲收縮，是指物體以接近光速的速度移動時，在移動方向上會縮短的現象。不過，如果觀察者一起移動的話，觀察到的樣子就不會變短。不同的觀察者，長度的尺度也不一樣，這是相對論的一大特徵。
對於馬路上靜止的人來說，觀察時速30公里橫向通過的汽車時，汽車的長度會縮短到原本的1/2。而且，在汽車橫向通過觀察者時，汽車後方的光會一邊前進，一邊橫跨車身。所以在側面的觀察者會覺得汽車好像轉了一個角度一樣，甚至可以從側面看到位於汽車後方的車牌。
另外，因為可以看到光的都卜勒效應，所以汽車靠近時會覺得汽車看起來偏藍色，遠離時會覺得汽車偏紅色。
時速30公里的汽車會產生相對論中的時間膨脹效應（浦島效應）。所謂的時間膨脹效應，指的是物體速度接近光速時，物體的時間流逝會變得比較慢的效應。從側面觀察汽車中的人時，他們會用原本的1/2倍速率，慢動作運動。不過對汽車內的人來說，時間的流逝速度和往常一樣。這再次說明了時間的尺度會因人而異。
如果來自遠方的汽車駛近馬路上靜止的人，那麼在這個人的眼中，汽車上的時間反而會流逝得比較快。因為對於靜止的人來說，汽車發出的光只比汽車的速度快20%。當這個人看到距離他還有36公尺的汽車的瞬間，汽車距離這個人只剩下6公尺（汽車與光的秒速分別為8.33 m/s與10 m/s）。汽車需花費0.72秒走完剩下的6公尺，而在這0.72秒中，這個人會看到汽車前進了36公尺。即使考慮到時間膨脹效應，這個人仍會看到3.3倍速的汽車。相反的，當汽車遠離這個人時，他所看到的汽車上的時間則會變慢，加上時間膨脹效應後，會看到0.3倍速的汽車。
對於時速30公里的汽車乘客來說，周圍的時間、空間也會產生扭曲。前方景色看起來會更藍，時間流逝會是3.3倍速，而且看起來像是被壓縮了一樣；後方景色則看起來更紅，時間流逝會是0.3倍速，而且看起來像是被拉長了一樣。窗外景色就像是一幅超現實主義的畫。
另外，如果汽車以時速30公里跑一陣子之後再停下來，會因為時間膨脹效應，使外頭經過的時間是車內時間的近兩倍。互相移動的人們之間，時間並不一致。所以「遵守約定時間」一事就會變得有些困難。
在光速極度緩慢的世界中搭乘新幹線
在光速極度緩慢的世界中，即使是新幹線，時速也沒辦法超過36公里，不過或許可以達到時速35.5公里吧。此時相對論效應會變得更為強烈。假設你搭乘這輛新幹線從東京到大阪出差好了。
因為勞倫茲收縮效應，對於一旁靜止的人而言，這輛新幹線的長度會縮短成原本的1/6。新幹線有16節車廂，總長約為400公尺，但在一旁觀看時會縮短到67公尺。
從東京往大阪出發時，一開始會通過八津山隧道。這個隧道全長為275公尺。如果從隧道上方觀察列車通過隧道的樣子，會看到縮成67公尺的新幹線悠哉地駛入隧道，沒過多久，就會整個隱沒至隧道內，完全看不到列車。
不過，對於搭乘新幹線的人來說，新幹線全長仍為400公尺，反倒是隧道縮短成了46公尺。這表示隧道沒辦法容納整輛新幹線。從列車內看出去，會看到只有自己搭乘的車廂，以及前後各兩節車廂在隧道內，其他車廂則在隧道外。
有些人會看到新幹線完全沒入隧道內，有些人則否。或許你會覺得有些矛盾。但其實矛盾並不存在。在不同人眼中，「第一節車廂與最後一節車廂在某特定時刻的位置」本來就不會一樣，所謂的相對性便是如此。
另外，如果搭乘這輛新幹線從東京到大阪出差，在時間膨脹效應的影響下，從車外觀察到的車內時間為1/6倍速。對地面上靜止的人來說，新幹線從東京到大阪需花費14小時，但車廂內的人會覺得只過了2小時半。對於車廂內的人來說，明明只過了2小時半，外界卻已過了14小時。工作上很難說這樣是好是壞。如果乘客在搭乘新幹線時製作1天後必須交出的文件，由於抵達明天的時間縮短了11小時半，所以他必須急忙製作出這些文件。另外，對於經常出差的人來說，老化速度也會比一直待在靜止地面的人來得慢。
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