光速恒定理论被打破？为什么在宇宙尺度上光速会变慢？

光速是阐述运动的一个极端基本量，是我们宇宙速度的极致。它允许我们测量物体在给定时间内移动的超远距离。那么人类能实现光速运动吗？乍一看，人们可能会认为速度是相对的，因为从不同的角度看，它可以测量到不同的值。然而，狭义相对论从根本上改变了我们的直觉。有一种速度永远不会改变，那就是光速。要实现光速，我们需要对光速有更深的了解！

光速在真空中是一个恒定值，无论从什么角度测量都不会改变，我们对现代物理学的许多探索实际上都是从光开始的。作为一种电磁波，光具有许多波特性。1842年，奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒在实验中发现了他的著名的多普勒效应，实验假设有一个水槽，水槽中有一个波源，产生圆形水波。同时，一个人静止地站在水中，观察向他移动的波。此人观察到的波的频率应该与波源完全相同。

但是，当人向波源移动时，会发生什么呢？频率开始增加，这被称为多普勒效应。光也有多普勒效应。由于光源和观察者之间的相对运动，它改变了光的频率。当光源远离观察者时，观察者接收到的频率将降低，从而导致可见光光谱的红端偏移，也就是红移。如果光源移向观察者，则会观察到蓝移。

波的另一个重要特性是，波的传播速度仅取决于它们所传播的介质的性质。更高的音调将具有更高的频率，但波长更小，反之亦然，这将保持传播速度不变，除非我们切换介质。如果波源向观察者移动，那么人会感觉到水波的频率在增加。然而，只要人保持静止，他感觉到的水波速度将保持恒定。

这是因为水波的传播速度与波源无关，但如果人一起移动就会发生变化。在波源处于相同速度的情况下，虽然波仍然被压缩，但人观察到的频率现在等于波源。这是因为人与波源之间不再存在相对运动，因此多普勒效应消失。然而，如果人现在相对于水移动，他感觉到的波速应该减小，这遵循伽利略变换，如果介质被所有通过的物体共享，则必须将其视为全局参考系，也就是说，频率变化背后的多普勒效应是由于不同物体的相对运动，而波速变化背后的伽利略变换实际上是由全局绝对运动引起的参考系。

让我们再进一步，如果我们把另一个波源放在观察者下面，让它们以相同的速度一起移动，会发生什么？从人的角度来看，来自两个不同方向的两个波应该具有相同的频率，但速度不同。这是著名的迈克尔·西莫利实验，它用光代替水波。它假设存在一种称为以太的介质，渗透整个宇宙，充当光的载体，就像水中移动的观察者一样。地球在以太中移动，只要地球继续移动，来自不同方向的光必须具有不同的速度，这应该通过在不同的时间测量不同方向的光速来检测。但令人惊讶的是这些实验都是负的。

但是光速在任何方向上都没有显示出任何差异，这与波的多普勒效应相矛盾。有一种可能的解释：以太完全被地球拖拽，因此共享其运动。然而，如果以太总是与地球一起运动，那么以太定义的全球参考系相当于局部参考系。因此迈克尔逊-莫利实验直接启发了狭义相对论的命题，从那时起，整个宇宙的全局坐标系被单个物体的局部坐标系所取代。在这些局部坐标系中，光速保持不变。然而，它并不是无条件地等于c。

1964年，美国天体物理学家埃尔文·夏皮罗设计了一个思想实验：如果我们将无线电信号发送到很远的植物，并通过环绕它们的卫星将其反射回来，我们可以通过计算往返旅行时间和旅行距离来知道光速是否发生了变化。在正常情况下，我们不应该看到任何变化。然而，当行星、地球和太阳几乎在同一条直线上时，我们将看到光弯曲，沿着弯曲的路径行进。光经过时会减慢速度。

1976年，科学家做了一个实验，该实验是利用从地球传输到维京号飞船的无线电信号的往返时间进行的。2003年，卡西尼号飞船做了同样的实验，他们的结果与广义相对论的预测一致，广义相对论表明，从地球上看，弯曲的光确实会变慢，这就是所谓的光速恒定的真正含义。如果我们沿着光的路径放置许多观察者，那么在其局部参考坐标系中测量的光速始终等于c，并且从地球的角度来看不会改变。偏转的光被减慢，称为夏皮罗时间延迟，通俗一点就是引力时间延迟效应。

引力时间延迟效应是由外部观察者（如地球）的角度来看的时空膨胀引起的。然而每个观察者都会在局部测量到等于c的光。让我们回到我们最初的思维实验。如果我们将时间作为z轴，那么水波会形成一个圆锥体。圆锥体的两个边缘代表水波的传播速度。如果我们切换到人的视角，那么他的世界线将变成一条垂直线，而波锥现在正在倾斜对于表示波速度已改变的人，如果我们用光波替换水波，则此变换不再适用。

鉴于光速在人的局部参考系中应保持恒定，我们需要利用新的变换：劳伦斯变换。这一次，光锥的两个边缘将保持不变，而协调光锥的速度开始改变，光速是恒定的，但它仅在局部测量为等于c，在足够小的区域中，时空可以被视为完全平坦的。这就是为什么可以在宇宙尺度上观察到夏皮罗时间延迟。