光是否總是以同樣的速度運動？

無論你走得多快，有一件事是你永遠無法做到的：那就是追上光。光速度不僅是宇宙中傳播的最快速度，它被認為是一個普適的常數。不管我們是用閃光燈，看月亮還是太陽，或者從數十億光年之外測量一個星系，光的速度是唯一不變的。但這是真的嗎?光是否總是以同樣的速度運動？如果它被某物（介質等）減速，它就不會慢下來了？它會慢下來嗎，它會加速到光速嗎？

（圖）銀河系中心的多波長視圖顯示了恒星、氣體、輻射和黑洞等。但是這些來自所有的光線，從伽瑪射線到可見光到射燈，總是以同樣的速度在真空中運動：真空中光速。圖片版權：NASA/ESA/SSC/CXC/STScI

解釋這些問題首先讓我們從一個基本層面的光開始：一個粒子

（圖）以光的速度傳播的振蕩同相電場和磁場定義了什么是電磁輻射，電磁輻射的最小單位（或量子）稱為光子。Public domain image

它可能看起來不像一個粒子，當你看到它來自像一個燈泡，一個光源手電筒、激光器、甚至太陽，但那是因為我們不能看到單個粒子。如果我們用電子探測器代替我們的眼睛，我們發現宇宙中所有的光是由同類型粒子組成的：光子。它在所有光子之間有幾個相同的屬性：

1、它的質量 (是 0)，

2、它的速度 (總是C，光速)，

3、它的自轉 (總是1，它的固有角動量的度量)，

其中很重要的一個變化是它的能量。紫外光具有人類肉眼可見的任何光子的最大能量，而紅色則具有任何可見光光子的最小能量。在更低的能量是紅外線、微波和射電光子、而紫外線、X 射線、和伽馬射線光子可以發現在更高的能量。

與電磁波譜的各個部分對應的大小、波長和溫度/能量尺度。圖片版權：NASA and Wikimedia Commons user Inductiveload

通過真空的空間，不管它們的能量是什么，它們總是以光速運動。不管你追趕或跑得多快，都不重要；你看到它的速度永遠是一樣的。改變的東西不是速度，而是是光的能量。向光線移動它看起來更藍，把它提升到更高的能量，遠離它它看起來更紅，轉移到更低的能量。不管你如何移動，如何使光移動，或者你如何改變能量，都會導致光速改變。最高能量的光子和最低能量的光子以完全相同的速度運動。

所有的無質量粒子以光的速度傳播，分別包括光子、膠子和引力波，進行電磁，強核力和引力相互作用。圖片：NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

但是如果走出真空進入一個材料（介質），它是可以的慢下來的。任何對光線（可見光）透明的材料都能使光子通過它, 包括水、丙烯酸、晶體、玻璃甚至空氣。但由于這些材料中有帶電粒子，特別是電子，它們與光子相互作用，使它們減慢速度。即使光不帶充電，行為像一個波，當光子在空間中移動時它會呈現出振蕩的電場和磁場，并能與帶電粒子相互作用。只要光在材料（介質）中傳播這些相互作用減慢它并且導致它移動以速度小于光速。

圖片：University of Iowa

不同的光子具有不同的能量，這也意味著它們的電場和磁場以不同的速率振蕩。雖然所有不同類型的光在真空中都是一樣的，但在任何介質中這些速度都是不同的。白光（由所有的顏色組成）通過一滴水或棱鏡，更高能的光子會比低能能量的光子慢，導致顏色分離（如上圖三棱鏡分離白光）。

主要的（最亮的）和次級（外）彩虹是由于陽光與水滴的相互作用，而其余的彩虹則來自于下面水中的額外反射。由于不同能量的光子通過介質（在這種情況下（水））不同的光速，顏色分離。圖片：Terje O. Nordvik via NASA's Astronomy Picture of the Day

這就是光通過水滴形成彩虹的方式，因為不同能量的光子與介質中的帶電粒子相互作用（并以不同的速度慢下來）。

水滴的多重反射光會使光線以不同的角度分開，紅光移動得更快，紫色的光在水中較慢移動。圖片：Science Learning Hub / public domain

重要的是要記住在所有這些情況中光本身沒有任何變化。它沒有失去能量，它沒有改變它的基本性質，它不會轉化成別的東西。所有的變化就是圍繞它空間介質。當光線離開介質回到真空中，它就會以真空的速度移動：299792458米/秒。事實上我們對距離和時間的定義“米”或“秒”來自光本身。原子可以吸收或發射光，這取決于原子轉換過程中的電子。（這里要注意：從介質中出來前到真空中時光的速度雖有差別但并沒有加速這個過程。換句話說：對于光沒有加速度這種概念）

不同能量下的躍遷。圖片：A. Fischer et al., The Journal of the Acoustical Society of America (2013)

銫是元素周期表中的第55個元素，是一個單一的、穩定的、中性的原子擁有55個電子。前54個電子通常生活在能量最低的狀態，但第55個電子有兩個可能的能量等級，它可以非常接近。如果它從稍高一點轉變為稍低一點的，那么能量就進入了一個特定的，定義明確的能量的光子。如果你取9192631770個光子的周期，這就是我們定義一秒的方法。如果你以30.663319周期傳播（9192631770除以299792458）的距離，得到一米的定義。

這告訴我們一個非常深刻的定律：只要是相同的原子在宇宙的任何地方且不論何時何地我們在宇宙中，我們都可以定義的時間，長度，和光的速度是不改變的。