真空不空（四）——光速不变的原因

光子和其他粒子一样，也具有波粒二象性。其特殊性在于：静质量为零；速度极大且任何物质都无法达到该速度；光速是一个不变的常量，只与空间密度相关而与其能量的大小无关。

这些奇怪的特性是需要我们仔细推敲的。比如，没有任何实验验证光子的静质量等于零。推断光子静质量为零的理由是光子无法静止下来。然而，光速在密度较大的介质中是可以慢下来的。反之，根据不确定原理，其他基本粒子也是无法静止的。静质量越小的粒子，其自由状态的速度就越大。就此而言，光子与其他基本粒子并没有什么本质的不同。速度最高是因为光子的静质量最小；能量变化与速度无关，是因为光子的动能与势能之比近似为零。

根据菲涅尔定律，光子由光疏介质进入光密介质，其速度会降低。我们可以从极限的角度来分析这一定律。当空间效应等于零时就回到了经典力学的情形，物体的外在能量只与其动能相关，此时速度最大；反之，当空间效应极大时物体的外在的能量只表现为相对于空间的势能，此时速度为零。当空间效应介于这两个极端之间的时候，属于动能和势能并存的情况，这就是所谓的波粒二象性。由于光子的静质量非常小，所以尽管其速度已经很大了，但光子的动能相对于其势能仍然很小，以至于光子的能量变化，根据两种能量的比例只表现为势能的变化。此外，光子相对于空间的势能是靠一定的速度来维持的。于是，光速表现为相对于空间和能量都是一个不变的常量。

不同的理论，关于光速不变性，在量上虽然只有细微的差别，但在质上却有着本质的区别。对于狭义相对论来说，光速不变是绝对的，即不同频率（能量）的速度差绝对为零；反之，对于量子真空而言，光速不变是相对的，即不同频率的速度差与不同频率的速度之比近似为零。在量子真空中，光子相对于空间的势能越大，需要维持势能的速度也就越大，只是不同能量的速度差远小于维持势能的速度。

虽然，量子真空景观可以将光子与其他基本粒子的行为统一起来，可以使我们理解到，经典力学只是忽略空间效应的物理学。但是，我们如何才能证明不同频率的光速不同呢？

根据光的折射定律，折射率与入射光的前后速度之比成正比。通俗地说，就是折射现象越明显的光，其入射前后的速度变化也越大。根据棱镜实验，频率越高的光折射率越大，因而产生散射现象，白光变成彩虹。这说明频率越高的光折射前后的速度变化也越大。对此有两种可能：

其一，根据狭义相对论，能量高的光速始终小于能量低的光速，只是不同频率的速度差在光疏介质中较小，作为极限，在真空时速度差为零，在光密介质中速度差变大。

其二，根据量子真空景观，能量高的光速始终大于能量低的光速，只是不同频率的速度差在光疏介质中较大，在光密介质中较小，作为极限，当介质的密度无限大时不同频率的光速及速度差都趋近于零。

由于我们可以把光疏介质不断地抽空，使之无限地接近于真空状态，并不会因此改变棱镜实验的结果，所以我们把光密介质视为空间密度的增大，与量子真空并没有本质的差异。于是，根据折射定律及其相关实验，只可能是第二种情况。因为，随着空间密度的增大，光速会逐渐变小，要求速度差也随之变小。由棱镜实验得出的结论是：

频率高的光速大于频率低的光速，不同频率的光子在真空中的速度及速度差最大，而且会随着宇宙的膨胀继续不断地增大。

在宇宙大爆炸之初，真空中离散量子的密度很大，宇宙内部的光速接近于零。随着宇宙的膨胀，量子真空的密度显著下降，光速会迅速提高，不同频率的光速差也随之增大。只是到目前为止，由于真空密度的绝对值仍然很大，致使不同频率的速度差仍远小于不同频率的速度，从而表现为光速不变。如果，宇宙在未来继续膨胀，空间效应持续减小，光子的势能将逐步转化为光子的动能，使光速及不同频率的速度差都不断地提高，直至过渡到经典力学的极限情况，相对于空间的势能为零，光子的能量全部以动能的形式存在。（待续）