深度长文：真空中光速为何是每秒30万公里，是什么决定这个速度？

真空中光速为何是每秒30万公里，到底是什么决定这个速度？

不废话，先上答案：不知道，就是这样的，或者说我们的世界就是这样的！

看完答案，不要着急走开，还有更多的东西。

光速，每秒30万公里，准确来讲是每秒299792458米（方便起见，以下都以每秒30万公里来讲述）。

如今我们知道，光速是一个物理常数，是不变的。其次，严格来讲，光速并不是指“光的速度”，它有更深的含义。那么光速为什么是每秒30万公里呢？这与人类对长度和时间的定义有关，具体来讲与“米和秒”的定义有关，在这个定义下，我们只需要测量光速的大小就行了，测量出来，是多少就是多少。如果我们用不同的概念去定义“米和秒”，光速自然会发生变化。

但无论怎么变，都不能改变这物理常量的本质，只是不同的定义罢了。我想很多人关心的并不是“光速为什么是每秒30万公里”，而是“光速为什么不能更大或者更小，比如说每秒31万公里？”

在我们如今对距离和时间的定义体系下，到底是什么决定了每秒30万公里这个速度？

简单的回答就是一开始我所说的“不知道”，但如果仅仅是这个答案，显然违背了科普的初衷，下面来讲讲“不知道”之外的更多东西，让我们一起尽可能接近光速的本质。

爱因斯坦的狭义相对论有一个重要前提：光速不变。这里的“光速不变”并不仅仅指“真空中的光速保持每秒30万公里不变”，更深层的含义是：光速与参照系以及光源的运动无关。也就是说，光速是绝对的。

最简单直白的例子就是，即便你以99%光速的速度追赶一束光，这束光在你眼里的速度仍旧是光速，而不是1%光速！

但是，“光速是绝对的”这种说法其实也是“相对”的，这里的“相对”就包含着四维时空的概念。我们可以这么通俗理解：光速的背景是四维时空，光只是相对四维时空以光速运动。

关于这一点，其实是不难理解的，因为爱因斯坦的相对论就是建立在四维时空基础上的，因此光速不变和光速限制等结论都是建立在四维时空基础上的。

所以，问题更深层的本质就是，我们在乎的并不是光速的精确度，而是光速在四维时空中为什么是一个恒定不变的常数，这个恒定不变的常数为什么既不能多也不能少。

既然光速的背景是四维时空，那么光速的大小只能与四维时空的特性有关，到底是什么决定了四维时空的特性呢？

答案是：真空中虚粒子的密度！

正是这种密度决定了真空的磁导率和介电常数，然后这两个常数综合起来决定了光速的大小。关于这一点，其实在麦克斯韦方程组推导出来的光速在真空中的公式也能看出来，真空中的光速只与真空的磁导率和介电常数有关。

而真空中虚粒子的密度是恒定的，不会随着环境的改变而发生变化， 甚至宇宙膨胀也不会引起虚粒子密度的改变，所以说光速是不变的，通过真空的磁导率和介电常数计算出来的这个不变的数值正好是每秒30万公里。

宇宙膨胀为何不会影响真空中虚粒子的密度呢？关于这一点，科学界并无定律。主流科学界认为，宇宙膨胀背后的元凶其实就是“不断衍生出来的虚空”，虚空也就是真空，真空可以“凭空”衍生出来，正是这种衍生导致了宇宙的膨胀。也就是说，衍生出来的真空是“因”，宇宙膨胀是“果”，“果”当然不会反过来影响“因”。

关于物理常量，有必要详细讲述一下。

如果你高中物理学的比较好，或者说对物理学比较感兴趣的话，一定会注意到物理学上其实有很多常数，这么多常数到底是什么意思呢？

简单讲，物理常数代表着某个物理对象的一些属性，这些属性与代表着我们这个世界的一些基本的东西。但是如果你非要问物理常数为什么是那样一个数，就有点“不讲理”了，因为任何问题一旦“穷奇所问”，不断追问下去，最终就一定会走进死胡同，甚至会从科学上升到哲学。

比如说，引力常数，电子质量，普朗克常数等等物理常数，为什么是那样的常数？只能说是科学家根据实验结果观察计算得出来的。但是很显然，这种答案虽然合理，但很难服众！

重点来了。相信细心的人已经注意到了，在很多物理常数当中，有一个非常奇特的常数：精细结构常数，这个常数是没有单位的，物理学上把其定义为“无量纲常量”。

我们不用刻意追求这个常量到底什么意思，只需要明白在众多常数当中，有三个是相当奇特的：真空中的光速，磁导率和介电常数。这个三个常数与众不同的地方在于：三者的“精度”都是“精确”的，其他常数的“精度”严格来讲都是“不精确”的，无法百分之百确定。

显然，这意味着真空中的光速，磁导率和介电常数之间存在着某种必然联系，这种联系刚才已经说过了，麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式，早就告诉了我们答案。

至于麦克斯韦方程组是如何推导出光速的计算公式，这里就不详述了，普通吃瓜群众没有必要刻意追求这个，只需要知道就行了。

介电常数和磁导率决定了真空的特性，而这种特性也决定了光速的具体大小。既然真空的属性是固有的，那么光速就是我们这个宇宙的固有属性，只能是每秒30万公里，而不能是其他数值。

这里有必要再次强调一下刚才所讲的。光速并不是指“光的速度”，只是光的速度也正好等于光速罢了。听起来有点绕嘴，但其实并没有前后矛盾。

因为并不仅仅只有光的速度是光速，引力波的速度同样是光速，信息的传递速度也是光速，传递强相互作用的胶子的速度还是光速。

从量子层面来讲，任何没有静质量的物体的速度都是光速，而任何物体一旦与希格斯玻色子发生作用，就会获得质量，自然就不可能达到光速了。

这其实也说明了一点，所有微观粒子的本来速度其实都应该是光速，但由于很多微观粒子会与希格斯玻色子发生作用，在这个过程中会发生减速从而获得质量，所以大多数微观粒子的速度达不到光速，而像光子和胶子这样的基本粒子不会与希格斯粒子发生作用，所以只能以光速飞行。

扯得有点远了，扯到质量的本质了，重回正题。

如今我们都知道“真空不空”，真空随时会上演“量子涨落”，海森堡提出的不确定性也可以用数学语言具体描述量子涨落。

何为“量子涨落”？通俗理解就是，在某个瞬间，真空中会随机衍生出虚粒子对，然后瞬间湮灭消失，只要整个过程时间足够短，就可以一直上演。

量子涨落看起来违反了能量守恒定律，其他不然。能量守恒是描述大尺度下的一种规律，而量子涨落持续的时间非常短，从大尺度上来讲，能量仍旧是守恒的。当然，我们也不能用宏观世界的思维去衡量量子世界，按照量子力学，在足够短的时间里，任何事情都可能发生，而且只要时间足够长，一定会发生。

刚才讲了，光的速度是由真空的磁导率和介电常数决定的，那么这两个常数与量子涨落有什么关系吗？

确实有关系，刚才讲了“真空不空”，真空也拥有最基本的能量，这种能量就是由微弱的量子涨落决定的。

量子涨落会在瞬间衍生出正负虚粒子对，会在一瞬间产生电磁场，这个过程产生的影响很可能就是真空磁导率和介电常数的本质所在。

科学家们早在十年前就利用量子涨落现象，计算出了光速的数值。真空中衍生出来的正负虚粒子对会捕捉穿越的光子，然后重新释放出来。而虚粒子对携带的能量就会影响光子飞行的速度。

单一虚粒子对影响光子的速度当然是随机的，但真空中绝不可能仅仅衍生出一对虚粒子对。这就意味着，真空中衍生出来的虚粒子对密度决定了光速的大小，这种密度也决定了真空中的磁导率和介电常数。

最后，肯定还会有人问：真空中为什么会出现量子涨落现象？还是那个答案：不知道，大自然就是这样的，或者说我们的世界就是这样的。科学并不是万能的，科学的本质也决定了无论人类揭开了多少宇宙奥秘，永远会有一个更大的秘密在前面等着我们！当然，你也可以试着用哲学甚至神学去理解这个世界，科学并不反对这样做，因为科学也只是人们认识世界的一种方式而已。

总结

其实说到底，光速之所以是每秒30万公里，原因很简单，这是我们所在的四维时空的固有属性决定的 。你甚至根本不需要了解什么量子涨落，磁导率和介电常数等物理学术语，只需要知道光速是四维时空的固有属性就行了。

也就是说，在四维时空下，光速必须是每秒30万公里。言外之意，换一种时空环境，光速未必就是这个数值了。打个比方，如果存在更高的维度，比如说五维时空，或许那里的最低速度反而是每秒30万公里，任何物体都必须以超光速的速度飞行，至于速度能达到多少，自然就与五维时空的属性有关了。

完！