光是否总是以同样的速度运动？

无论你走得多快，有一件事是你永远无法做到的：那就是追上光。光速度不仅是宇宙中传播的最快速度，它被认为是一个普适的常数。不管我们是用闪光灯，看月亮还是太阳，或者从数十亿光年之外测量一个星系，光的速度是唯一不变的。但这是真的吗?光是否总是以同样的速度运动？如果它被某物（介质等）减速，它就不会慢下来了？它会慢下来吗，它会加速到光速吗？

（图）银河系中心的多波长视图显示了恒星、气体、辐射和黑洞等。但是这些来自所有的光线，从伽玛射线到可见光到射灯，总是以同样的速度在真空中运动：真空中光速。图片版权：NASA/ESA/SSC/CXC/STScI

解释这些问题首先让我们从一个基本层面的光开始：一个粒子

（图）以光的速度传播的振荡同相电场和磁场定义了什么是电磁辐射，电磁辐射的最小单位（或量子）称为光子。Public domain image

它可能看起来不像一个粒子，当你看到它来自像一个灯泡，一个光源手电筒、激光器、甚至太阳，但那是因为我们不能看到单个粒子。如果我们用电子探测器代替我们的眼睛，我们发现宇宙中所有的光是由同类型粒子组成的：光子。它在所有光子之间有几个相同的属性：

1、它的质量 (是 0)，

2、它的速度 (总是C，光速)，

3、它的自转 (总是1，它的固有角动量的度量)，

其中很重要的一个变化是它的能量。紫外光具有人类肉眼可见的任何光子的最大能量，而红色则具有任何可见光光子的最小能量。在更低的能量是红外线、微波和射电光子、而紫外线、X 射线、和伽马射线光子可以发现在更高的能量。

与电磁波谱的各个部分对应的大小、波长和温度/能量尺度。图片版权：NASA and Wikimedia Commons user Inductiveload

通过真空的空间，不管它们的能量是什么，它们总是以光速运动。不管你追赶或跑得多快，都不重要；你看到它的速度永远是一样的。改变的东西不是速度，而是是光的能量。向光线移动它看起来更蓝，把它提升到更高的能量，远离它它看起来更红，转移到更低的能量。不管你如何移动，如何使光移动，或者你如何改变能量，都会导致光速改变。最高能量的光子和最低能量的光子以完全相同的速度运动。

所有的无质量粒子以光的速度传播，分别包括光子、胶子和引力波，进行电磁，强核力和引力相互作用。图片：NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

但是如果走出真空进入一个材料（介质），它是可以的慢下来的。任何对光线（可见光）透明的材料都能使光子通过它, 包括水、丙烯酸、晶体、玻璃甚至空气。但由于这些材料中有带电粒子，特别是电子，它们与光子相互作用，使它们减慢速度。即使光不带充电，行为像一个波，当光子在空间中移动时它会呈现出振荡的电场和磁场，并能与带电粒子相互作用。只要光在材料（介质）中传播这些相互作用减慢它并且导致它移动以速度小于光速。

图片：University of Iowa

不同的光子具有不同的能量，这也意味着它们的电场和磁场以不同的速率振荡。虽然所有不同类型的光在真空中都是一样的，但在任何介质中这些速度都是不同的。白光（由所有的颜色组成）通过一滴水或棱镜，更高能的光子会比低能能量的光子慢，导致颜色分离（如上图三棱镜分离白光）。

主要的（最亮的）和次级（外）彩虹是由于阳光与水滴的相互作用，而其余的彩虹则来自于下面水中的额外反射。由于不同能量的光子通过介质（在这种情况下（水））不同的光速，颜色分离。图片：Terje O. Nordvik via NASA's Astronomy Picture of the Day

这就是光通过水滴形成彩虹的方式，因为不同能量的光子与介质中的带电粒子相互作用（并以不同的速度慢下来）。

水滴的多重反射光会使光线以不同的角度分开，红光移动得更快，紫色的光在水中较慢移动。图片：Science Learning Hub / public domain

重要的是要记住在所有这些情况中光本身没有任何变化。它没有失去能量，它没有改变它的基本性质，它不会转化成别的东西。所有的变化就是围绕它空间介质。当光线离开介质回到真空中，它就会以真空的速度移动：299792458米/秒。事实上我们对距离和时间的定义“米”或“秒”来自光本身。原子可以吸收或发射光，这取决于原子转换过程中的电子。（这里要注意：从介质中出来前到真空中时光的速度虽有差别但并没有加速这个过程。换句话说：对于光没有加速度这种概念）

不同能量下的跃迁。图片：A. Fischer et al., The Journal of the Acoustical Society of America (2013)

铯是元素周期表中的第55个元素，是一个单一的、稳定的、中性的原子拥有55个电子。前54个电子通常生活在能量最低的状态，但第55个电子有两个可能的能量等级，它可以非常接近。如果它从稍高一点转变为稍低一点的，那么能量就进入了一个特定的，定义明确的能量的光子。如果你取9192631770个光子的周期，这就是我们定义一秒的方法。如果你以30.663319周期传播（9192631770除以299792458）的距离，得到一米的定义。

这告诉我们一个非常深刻的定律：只要是相同的原子在宇宙的任何地方且不论何时何地我们在宇宙中，我们都可以定义的时间，长度，和光的速度是不改变的。