光速：跟随闪光穿越宇宙

你看到的是什么

光是速度最快的事物，却仍然慢到可以用两座山上的一个轮子和一面镜子来测量。本展览按真实距离，跟随一道闪光从地球向外传播，直到抵达仙女座星系。在最初一秒内，闪光足以绕赤道七圈半。它到达月球需要 1.3 秒，跨越到太阳的距离需要 8 分 19 秒，到海王星约需 4 小时，到旅行者 1 号需一天，到最近的恒星需 4.25 年，到银河系中心约需 26,700 年，到仙女座星系需 250 万年。

这些数值跨越超过 13 个数量级，因此舞台采用滑动比例尺。明亮的球体就是闪光本身：以地球为中心、每秒扩大 299,792 km 的光壳。它内部的一切都已经看到了闪光。球体扩大时，视角不断拉远，使它始终能完整显示在屏幕上，角落里的标尺则告诉你此刻一个屏幕单位有多大。

舞台顶部还有五个场景。你可以选择 2025 年 10 月至 2028 年 12 月间的任意日期，跨越当日的真实距离与火星车通信。你可以来到最早测量光的两个实验现场：1676 年罗默观察木卫一的食，以及 1849 年斐索的齿轮实验。五个脉冲在真空、空气、水、玻璃和金刚石中竞速。一艘飞船以接近光速飞向比邻星，两只时钟却给出不同的时间。最后一个场景是今晚的星空，每颗恒星都会告诉你它的光在哪一年出发，其中一颗就是你的生日星。

舞台下方有 12 项挑战、收录 46 个条目的光行时间手册、23 个隐藏发现、纠正常见误解的卡片，以及记录闪光到达各处的日志。

最初十秒

展览从地球开始。一个光点从赤道出发，绕着赤道移动，留下逐渐消退的轨迹。角落里的计时器显示时间：0.25 秒时它已绕行近两圈，0.5 秒时已绕行三又四分之三圈。到 1.00 秒，光点已走过 299,792 km，绕行 7.5 圈。随后它离开地球。

当然，真实的光不能沿着地球的曲面传播。除非受到某种作用而弯曲，光会沿直线传播。绕行的圈数是把光在一秒内走过的距离换成我们熟悉的尺度：赤道长 40,075 km，而一光秒相当于这个长度的七倍半。

光点一离开地球，闪光便成为球体。最初 1.28 秒按真实速度播放，让你看到抵达月球实际需要多久，大约相当于说出「月球」所需的时间。之后「自动」设置会加快时间，并在接近每个抵达点时减速，让你看清球体到达那里。

绕地球七圈半

真空中的光速恰好是每秒 299,792,458 米。光在一秒内走过 299,792.458 km。根据 NASA 列出的地球赤道半径 6,378.137 km，赤道长度为 2 × π × 6,378.137 = 40,075 km。两者相除，得到 299,792 ÷ 40,075 = 7.48 圈。

对日常生活而言，更实用的比较单位是纳秒，即纳秒。光在一纳秒内走过 29.98 cm，约为一把尺子的长度。距眼睛 30 cm 的屏幕发出的光，到达你时已经经过 1 纳秒。光穿过一个身高 1.7 m 的人需 5.7 纳秒，这也是舞台标尺在默认身高下显示的数值。

计算机就工作在这样的纳秒世界中。一颗频率为 3 GHz 的处理器每三分之一纳秒完成一个周期，在此期间光约走过 10 cm。这是最快的芯片体积小、内部部件彼此靠近的原因之一。

1.3 秒抵达月球

月球的平均距离为 384,400 km，因此光需要 384,400 ÷ 299,792 = 1.28 秒。由于月球轨道并非正圆，这个时间从近地点（363,300 km）的约 1.21 秒，变化到远地点（405,500 km）的 1.35 秒。

阿波罗乘员感受过这种延迟。当月球上的航天员向休斯敦提问时，无线电信号需要 1.3 秒才能到达地球，回答又需要 1.3 秒才能返回。再加上人们思考和说话的时间，对话中便会出现几秒钟的停顿。

月球至今仍被用作一只巨大的秒表。阿波罗 11 号、14 号和 15 号在月面留下了角锥反射器，两辆苏联月球车也携带了反射器。天文台向它们发射短激光脉冲，并测量约 2.5 秒后微弱回波的返回时间。最好的测站能将距离测到几毫米精度。我们正是由此得知，月球每年正远离地球约 3.8 cm。在舞台上，当闪光接近月球时点击月球，就能找到这些反射器。

已经传播 8 分钟的阳光

天文单位约为地球到太阳的平均距离，国际天文学联合会在 2012 年将其固定为恰好 149,597,870,700 m。光跨越这段距离需要 149,597,870,700 ÷ 299,792,458 = 499.0 秒，即 8 分 19 秒。

地球轨道略呈椭圆形，因此实际时间会随一年中的日期而变化。1 月初，地球接近近日点，距离为 1.471 亿 km，阳光需要 8 分 11 秒。7 月初，地球接近远日点，距离为 1.521 亿 km，阳光需要 8 分 27 秒。展览采用你所选日期的实际距离，因此舞台上到达太阳的时间很少恰好是 8:19。

如果太阳消失，地球在这八分钟里仍会继续收到阳光，这里的人不可能更早知道。我们在天空中看到的一切，都是已经在途中传播了一段时间的信息。

太阳内部还有另一段长得多的过程。阳光的能量产生于核心，在向外传播的过程中，无数次被吸收再发射。到达你的光在 8 分钟前离开表面，但它携带的能量可能花了很长时间才到达那里。光在物质中的场景还会讲到这一点。

行星：几分钟到几小时

闪光按照所选日期各行星与地球的距离依次经过它们。展览根据 NASA 喷气推进实验室发布的近似轨道公式计算行星位置，这些公式在 1800 至 2050 年间的精度达到不足一度。

各行星到太阳的平均距离，对应以下光行时间：水星 0.387 au，3 分 13 秒；金星 0.723 au，6 分 1 秒；火星 1.524 au，12 分 40 秒；木星 5.2 au，43 分钟；土星 9.54 au，1 小时 19 分钟；天王星 19.2 au，2 小时 40 分钟；海王星 30.07 au，4 小时 10 分钟。从地球来看，这些数值的变化幅度很大。金星从我们与太阳之间经过时，可能只在 2 光分之外，而在太阳另一侧时则达到 14 光分。

对于航天器，这些小时数就是操作它们面临的整个难题。发往海王星探测器的指令约需 4 小时才能到达，回复还需 4 小时。工程师会发送经过仔细检查的长指令序列，然后等待，才知道发生了什么。展览中的闪光每经过一颗行星就会将它标记出来，舞台下的日志会记录时间。

旅行者 1 号与第一个光日

旅行者 1 号于 1977 年 9 月 5 日离开地球。它飞掠木星和土星后，以相对太阳约 17 km/s 的速度离开行星轨道所在的平面。2012 年 8 月 25 日，它在约 122 au 处穿越日球层顶，在那里，来自太阳的粒子风让位于恒星之间的气体。

NASA 已算出它跨越下一个里程碑的时刻。太平洋时间 2026 年 11 月 18 日星期三凌晨 2:16:07，旅行者 1 号将距离地球 259.02 亿 km，等于光在 24 小时内走过的距离。它将成为第一个距离地球一光日的人造物体。那天早晨发出的指令会在第二天早晨抵达，它的回答则要到第三天早晨才能返回。

展览采用经过 NASA 这个里程碑的直线模型，绘制旅行者 1 号在所选日期的距离，因此不在该日期时，它的位置只是估计值。地球自身绕太阳的运动，会使相对速度增加或减少最多 30 km/s，这也是实际地球距离在一年中起伏变化的原因。

与火星通信

火星场景从上方展示内太阳系，按真实距离绘制，一个单位对应一个天文单位，日期可通过滑块任意选择。为了让你看得见，行星的绘制尺寸远大于真实比例。一条虚线连接地球与火星，并给出距离和光行时间。

NASA 给出的范围是：两颗行星在太阳同侧彼此靠近时，距离为 5,460 万 km，约需 3 分钟；火星在太阳另一侧时，距离为 4.002 亿 km，约需 22.4 分钟。两颗行星约每 26 个月在太阳同侧排列一次。在日期滑块的范围内，最接近的时刻约在 2027 年 2 月 20 日，此时火星距离约为 0.68 au，信号需要 5.6 分钟。最远约在 2026 年初前后，当时火星位于太阳背后，单程时间约为 20 分钟。

按下「发送指令」。一个光脉冲从地球出发，以 c 跨越间隙到达火星。火星车在独立视图中按真实尺寸显示，它会前进 2 m。回复沿同一路径返回。在常规设置下，舞台将等待压缩为几秒，并告诉你加速了多少；开启「实时」后，你需要等待真实的分钟数。

火星车为何自行驾驶

单程长达 22 分钟的延迟，使人无法实时驾驶火星车。如果地球上的驾驶员在照片中看到一块石头后按下「停止」，指令到达前，火星车早就开到石头跟前了。因此工程师会规划一天的工作，检查后一次发送。火星车行驶时会用自己的相机观察地面，选择安全路径，并在发现异常时停下。

火星车的大部分数据并非直接传回地球。NASA 的火星中继网络（Mars Relay Network） 利用飞越火星车上空的轨道器，以最高每秒 200 万比特收集数据，再传回地球。随着火星自转，火星车每个火星日还有约 12 小时看不到地球。光速决定延迟，但天线、电力和两颗行星的转动，决定了究竟何时能够通信。

从地球看，火星约每 26 个月从太阳背后经过一次。靠近太阳传播的无线电会受到其高温外层大气扰乱，因此任务会停止发送指令几周。NASA 的载人任务规划文件预计，通信中断最长约三周，单程延迟最长约 22 分钟。

前往最近的恒星

越过旅行者后，间距突然增大。闪光到达距离太阳最近的恒星比邻星，需要 4.25 年。欧洲航天局的 Gaia 卫星测得其视差为 768.07 毫角秒，并在第 3 次数据发布中公布，对应 4.2465 光年。它的两颗明亮伴星半人马座阿尔法 A 星和 B 星稍远，约为 4.3 至 4.4 光年。

比邻星是一颗小红矮星，太暗，无法不用望远镜就看见。多数人能轻易看见的最近恒星，是南方低空的半人马座阿尔法星，而夜空中最亮的恒星是 8.6 光年外的天狼星。在第一个场景中，太阳周围的恒星按真实距离绘制，因此当视角拉远到十光年以外时，你会看到太阳附近的恒星散布成点，闪光球体位于其中。

在这个尺度上，太阳系已经缩成一个点。海王星整个轨道的直径为 60 au，而 4.25 光年约为 268,000 au。

什么是光年

光年是距离，不是时间。它是光在一个有 365.25 天的儒略年里传播的距离：299,792,458 m/s × 31,557,600 s = 9.4607 × 10¹⁵ m，约为 9.46 万亿 km。NASA 在解释旅行者的光日时也是这样表述的：这个里程碑说的是距离。

光年的便利之处在于，这个数值也等于光传播的年数。25 光年外恒星的光在 25 年前离开了它。天文学家往往更喜欢用秒差距，即 3.26 光年，因为它直接来自视差的几何关系。

光秒、光分和光时也遵循同样的道理。月球距离为 1.28 光秒，太阳为 8.3 光分，海王星约为 4 光时，而从 2026 年 11 月 18 日起，旅行者 1 号距离为一光日。

怎样测量恒星距离

将一根手指伸到一臂远，先闭一只眼，再换另一只：手指会相对背景跳动。地球绕太阳运行时，恒星也会这样。相隔六个月，从相距 2 au 的两个位置观察，一颗近处恒星相对远处恒星会略有移动。这个位移的一半就是它的视差。视差为一角秒的恒星距离为一秒差距，以秒差距为单位的距离，等于 1 除以角秒表示的视差。

这些位移极小。比邻星的视差是所有恒星中最大的，为 0.768 角秒，约等于从 6 km 外看到的一枚硬币的宽度。ESA 的 Hipparcos 卫星在 1990 年代初测量了约 118,000 颗恒星的视差；Floor van Leeuwen 于 2007 年公布了这些数据的新归算结果。Gaia 于 2013 年发射，测量约 18 亿个天体的位置，2022 年的第三次数据发布给出了其中约 15 亿个天体的视差。

本展览的每颗恒星都来自斯特拉斯堡天文数据中心运营的 SIMBAD 数据库，查询范围包括亮于 4.6 等的恒星、约 109 光年内亮于 6 等的恒星，以及约 34 光年内的恒星。SIMBAD 为每颗恒星采用一个视差值，并标明出处。这里的大多数恒星采用 Gaia DR3；最亮的恒星采用 Hipparcos 的归算结果，因为过亮的恒星会使 Gaia 探测器饱和。

你的生日星

在舞台下输入出生日期。展览会算出你的年龄，并寻找以光年为单位的距离与年龄相当的恒星：今晚从这些恒星抵达你的光，大约在你出生时离开了它们。它会列出三颗恒星，并注明各自的距离、与确切年龄相差多少、亮度以及是否能用肉眼看见。「在星空中显示」会将今晚星空转向那颗恒星，并用金色标记。

一个 25 岁的人的生日星可能是按 Hipparcos 数据距离为 25.0 光年的织女星，也可能是 25.1 光年的北落师门。37 岁的人会得到 36.7 光年外的大角星。名单中约 5 至 100 岁的几乎每个年龄都有对应恒星。小于约 4 岁则完全没有答案：最近的恒星在 4.2 光年之外，展览会明确说明。

同样的想法也可以反过来。你出生当天离开地球的一道闪光，如今离地球的光年数，等于你的年龄。展览会告诉你这是多少千米。对一个 30 岁的人而言，约为 284 万亿 km。

研究结果不一致时

有些亮星的距离仍有争议。它们或是太亮，Gaia 难以准确测量，或是太远，难以测得视差，或两者兼有。展览会标出它们，而不是只选择一个答案。

参宿四是猎户座红色的肩膀，它的 Hipparcos 视差给出的距离约为 500 光年，不确定度超过 10 %。2020 年，Meridith Joyce 与同事结合恒星脉动模型及其亮度，得到约 550 光年。综合这些研究，它的光传播时间约在 440 至 640 年之间。

天鹅座的天津四更难测量。Hipparcos 给出约 1,400 光年，而 2008 年的一项详细光谱研究则提示约 2,600 光年。北极星按 Hipparcos 数据的距离约为 433 光年，而 2018 年用哈勃空间望远镜测量它的暗伴星，得到约 521 光年。在今晚星空中点击这些恒星时，展览会同时显示两个数值。

银河系中心

银河系中心有一个质量约为太阳四百万倍的黑洞，名为人马座 A*。通过跟踪绕它运行的恒星，人们测量了它的距离。2019 年，GRAVITY 合作组将欧洲南方天文台甚大望远镜的四台大型望远镜联合起来，给出 8,178 秒差距，不确定度为 0.3 %。这约等于 26,700 光年。

闪光到达它时，视角已经拉远到能看见整个银河系。在此之前，构成星系的点被绘制在环绕地球的天球上，在夜空中形成银河带。拉远到 30,000 光年时，同样的点变成从上方看到的螺旋圆盘，太阳位于从中心向外约一半的位置。展览中的银河系是用 46,000 个点绘制的模型，带有四条旋臂和一根棒；它的形状是示意图，而不是地图。

访问银河中心，视角便会移到那里。地球变成你身后 26,700 光年处的一个标签。

仙女座星系及更远处

闪光在 49.59 kpc、约 161,700 光年处经过大麦哲伦星云，这是一个环绕银河系的小星系。2019 年，Grzegorz Pietrzyński 领导的团队利用成对的食双星，将该距离测量到约百分之一的精度。它的伙伴小麦哲伦星云距离约为 203,700 光年。

接着是仙女座星系，NASA 给出的距离为 250 万光年。在黑暗的夜晚，不用望远镜也能看见一个暗淡的椭圆，因此它是多数人用肉眼能看到的最遥远天体。那个椭圆发出的光在 250 万年前启程。

仙女座星系正在靠近。用哈勃空间望远镜测量其横向运动的结果表明，两个星系约在 40 亿年后首次近距离交会，之后合并。闪光到达那里时，「自动」便会停止。舞台下的手册还列出几个更远的地方：约 5,500 万光年外的 M87 黑洞，事件视界望远镜在 2019 年拍到了它，以及最古老的光。

最古老的光

超过几亿光年后，单一的距离不再简单，因为光在途中传播时，宇宙也在膨胀。来自极遥远星系的光传播了一定时间，但星系现在的距离，比这段时间乘以光速远得多。因此，手册对最远的两个条目给出的是传播时间，而非距离。

JADES-GS-z14-0 于 2024 年通过詹姆斯·韦布空间望远镜确认，是已知最遥远的星系之一。我们看到的是它在大爆炸后约 2.9 亿年时的样子，因此它的光已经传播了约 135 亿年。宇宙微波背景更加古老。它在大爆炸后约 380,000 年、宇宙首次变得透明时发出，此后传播的时间几乎等于宇宙的全部年龄，按普朗克卫星测量结果约为 138 亿年。

罗默与木卫一的食

历史上大多数时候，人们一直在争论光的传播是否需要时间。第一个证据来自木星的卫星木卫一，它每 42.5 小时绕到木星背后，进入木星的影子。1600 年代的天文学家对这些食计时，以编制用于海上确定经度的表格。

1676 年，在巴黎天文台工作的丹麦天文学家奥勒·罗默注意到，地球远离木星时，食会比预测更晚发生，而地球靠近木星时则更早。他用光跨越变化距离所需的时间解释这个现象。罗默估计，光穿越地球轨道直径约需 22 分钟。实际数值为 2 au ÷ c = 16.6 分钟。

历史场景中有一个太阳、地球、木星和木卫一的桌面模型。地球绕行，木卫一进出木星的影子，读数会告诉你，相对于地球最近时所见的食，目前所见的食晚了多久。罗默没有给出以千米每秒为单位的速度，因为当时天文单位本身的大小还不清楚。他证明的是光的传播需要时间。

布拉德利倾斜的望远镜

第二条线索出现在 1729 年。詹姆斯·布拉德利试图测量天龙座一颗恒星的视差，却发现了一个大得多的周年位移，而且方向与视差应有的方向不同。他意识到，这是地球运动造成的。竖直落下的雨，在你奔跑穿过时看起来是倾斜的；同样，地球横穿星光的路径时，星光看起来也会以一个小角度射入。望远镜必须稍微倾斜才能接住它。

布拉德利根据倾斜幅度算出，光从太阳过来需要 8 分 12 秒。按今天的天文单位，这相当于约 304,000 km/s，与真实数值相差不到 1.5 %。同一种效应称为光行差，也出现在接近光速的场景中，此时飞船运动得如此之快，以至于整个天空都向前方聚拢。历史场景第二张桌子旁放着一架倾斜的望远镜。

斐索的齿轮

第一次地面测量发生在 1849 年。伊波利特·斐索在巴黎西面的叙雷讷一所房屋内放置了一盏灯、一块玻璃板和一个齿轮，并在 8,633 m 外的蒙马特放了一面镜子。灯光经玻璃板转向，从两个齿之间的缝隙穿出，前往镜子，返回后如果再次遇到缝隙，就能穿过玻璃板到达斐索的眼睛。

轮子静止时，光从同一个缝隙返回。轮子转得更快时，返回的光会发现缝隙已部分封闭。在某个速度下，下一个齿恰好转到光路上，目镜便暗了下来。轮子有 720 个齿。光往返需要 2 × 8,633 m ÷ c = 57.6 微秒，在此期间，轮子必须转过半个齿距，即一圈的 1 ÷ (2 × 720)。这发生在 C ÷ (4 × 720 × 8,633) = 每秒 12.06 圈。

斐索报告，第一次变暗出现在每秒 12.6 圈，用他的数值可得 4 × 720 × 8,633 × 12.6 = 313,000 km/s，约高出 4.5 %。转动展览中的齿轮并观察图表：每秒 12.06 圈时目镜变暗，约 24 圈时再次变亮，然后在 36.2 圈时变暗。绘制的轮子比它的实际转速慢 40 倍。

迈克耳孙与山间基线

旋转镜取代了齿轮。阿尔伯特·迈克耳孙花了半个世纪改进它们。1926 年，他把光从加利福尼亚州的威尔逊山发向约 35 km 外圣安东尼奥山上的一面镜子，再返回一面旋转的八面镜。他得到 299,796 km/s，不确定度为 4 km/s。

空气会使光略微减速，而且这么长的路径上气温也会变化，因此迈克耳孙、Francis Pease和Fred Pearson在一根抽成部分真空的一英里长管道中重新尝试。他们于 1935 年发表的结果为 299,774 km/s，不确定度为 11 km/s。如今我们知道，这个结果偏低的幅度超过了所报的不确定度，提醒我们，测量的误差范围本身也是估计值。

第二次世界大战后，无线电方法接替了这些方法。Louis Essen于 1950 年测量一个已知尺寸金属空腔的共振频率，得到 299,792.5 km/s，不确定度为 3 km/s。历史场景「测量值」下的图表，按年份展示这些数值。

从测量到定义

1972 年，Kenneth Evenson带领的美国国家标准局、即今天的 NIST 的团队，测量了一束锁定在甲烷谱线上的激光的频率和波长。速度等于波长乘以频率，他们得到 299,792,456.2 m/s，不确定度为 1.1 m/s。此时光速的已知精度已经高于米本身，而当时米是用氪发出的一种光的波长定义的。

因此，1983 年国际计量大会将定义反了过来。米成为光在真空中于 1/299,792,458 秒内所走路径的长度。从此光速不再是测出来的：按定义它恰好等于 299,792,458 m/s，长度测量则以它为依据。如今实验室报告一项涉及 c 的更好测量时，实际上报告的是一种更好实现米的方法。

水、玻璃和金刚石中的光

光在物质内部会减速。减速因子是折射率 n：在折射率为 n 的材料中，光的速度为 c ÷ n。海平面空气的 n 约为 1.0003，因此空气中的光速比真空中约慢 80 km/s。水的 n = 1.333，因此光速约为 225,000 km/s。熔融石英玻璃的折射率为 1.4585，对应约 206,000 km/s。金刚石为 2.417，对应约 124,000 km/s。

在减速场景中，五个脉冲同时从 3 m 长的赛道出发，竞赛被放慢到一纳秒相当于 0.4 s。真空中通过 3 m 需 10.0 纳秒；水中需 13.3；玻璃中需 14.6；金刚石中需 24.2。脉冲离开材料块时又会加速。没有什么被消耗掉：减速源自光被沿途原子接收并传递出去，而越过这些原子后，光又以 c 传播。

同样的减速也使光弯折。光束斜着进入材料块时，先进入的一侧先减速，光束因而转向。斯涅尔定律给出新的角度：以 45° 入射水的光束以 32.0° 继续传播，在金刚石中则为 17.0°。选择一种材料，场景中的红色激光便会相应弯折。金刚石的高折射率也是它闪耀的原因：内部的光会从各个面反弹回来，而不是逸出。

光减速到 17 m/s

1999 年，哈佛大学的Lene Vestergaard Hau及其团队，将一个光脉冲减速到 17 m/s，比竞速自行车手还慢。他们将光送入一团冷却至接近绝对零度的钠原子云，并用第二束激光照射，使原子云在一个极窄的颜色波段内透明。在这个波段内，脉冲减速约 1,800 万倍。同一团队后来的工作让光完全停止，再重新释放。

这个方法没有突破任何速度上限：光在原子之间仍以 c 传播，脉冲的能量暂时储存在原子中，随后再释放出来。它表明，光在材料中的速度几乎可以是任何值，取决于材料，只有真空中的速度是固定的。减速场景中的一个钢制真空室藏着这个发现。

比水中的光更快

没有什么能在真空中比 c 更快。然而，光在水中的速度只有 225,000 km/s，粒子可以比这个速度更快。当带电粒子在材料中超过光的速度时，会发出一个光锥，类似超音速喷气机产生音爆。这就是帕维尔·切连科夫于 1937 年报告的切连科夫辐射。

对水中的电子而言，动能约为 0.26 MeV、约为静止能量的一半时，便能达到 c ÷ 1.333 的速度。反应堆燃料释放的电子很容易超过这个值，因此研究堆水池中燃料周围的水会发出蓝光。大型探测器利用同样的光捕捉中微子：在装有极纯水的水箱中，中微子偶尔将一个电子撞到这样的速度，切连科夫光环就会显示它来自哪里。在减速场景中寻找发光的水池。

太阳内部缓慢的光

阳光在 8 分钟内跨越到地球的间隙，但它的能量很古老。它由太阳核心的核聚变产生，形式是伽马射线。太阳内部极其致密，光传播不到一毫米就会被吸收，再向一个随机方向发射。能量以步数极多的随机游走方式向外迁移。

1992 年，Romas Mitalas 和 Kenneth Sills 用一个描述太阳密度随深度变化的模型，计算了这种游走所需的时间，得到约 170,000 年。更早的估计采用固定步长，得到的时间较短；NASA 的一个存档页面指出，大多数仔细计算的答案介于 10,000 至 170,000 年之间。到达你眼睛的那一个光子是在表面附近、离开前几分钟才产生的。它携带的能量可能已有约 170,000 年历史。减速场景中的小太阳展示了内部的随机游走。

接近光速

以接近 c 的速度旅行会怎样？爱因斯坦 1905 年的狭义相对论指出，相对你运动的时钟会变慢，其因子为 γ = 1 ÷ √(1 − v²/c²)。半光速时 γ 为 1.155；0.9 c 时为 2.29；0.99 c 时为 7.09；0.999 c 时为 22.4。

接近光速的场景让一艘飞船以恒定速度前往 4.25 光年外的比邻星。在地球上，行程时间等于距离 ÷ 速度：0.9 c 时为 4.7 年。飞船上所需的时间缩短为其 1/γ：2.1 年。在 0.973 c 时，乘员时钟显示不到一年。从飞船的视角看，它的时钟没有发生任何异常；相反，到比邻星的距离按相同的 γ 因子缩短。两种描述得到相同答案。

这个场景是概念计算。它省略了加速和减速所需的年数、所需能量，以及会撞上飞船的尘埃。没有任何航天器接近过这个速度：旅行者 1 号的 17 km/s 约为 c 的 0.006 %。

恒星向前方聚拢

从高速飞船上看，恒星的光会不同。地球以 30 km/s 运动造成布拉德利光行差，这个小小的偏角在接近 c 时变得巨大。本来从侧面射来的光看起来像是从前方射来，整个天空向前进方向聚拢。在 0.9 c 时，位于航线直角方向的一颗恒星，看起来只偏离正前方约 26°。

颜色也会改变。前方恒星的光被压缩成更短的波长，看起来更蓝、更亮；后方的光被拉长，更红、更暗。场景为每颗恒星绘制这两种效应：将飞船速度设为 0.999 c，恒星便在比邻星周围收拢成明亮的蓝色光环，身后的天空则变空、变红。这些公式与物理学家计算加速器中高速粒子时使用的公式相同。

口袋里的相对论

时间膨胀不只属于星际飞船。宇宙射线撞击高层大气时产生的缪子，静止时的平均寿命为 2.2 微秒。以接近 c 的速度运动时，缪子在这段时间里只能走约 660 m，但许多缪子却能从约 15 km 的高度到达地面。1963 年，David Frisch 和 James Smith 在华盛顿山顶及海平面统计缪子，发现运动缪子的时钟约慢了 9 倍。

1971 年，Joseph Hafele 和 Richard Keating 带着四台原子钟乘民航客机环球飞行。与留在原处的时钟相比，向东飞行的时钟慢了 59 纳秒，向西飞行的时钟快了 273 纳秒，这与综合速度和引力效应的预测接近。

GPS 同时依赖两种效应。位于 20,200 km 高空的 GPS 卫星时钟，由于那里引力较弱，每天约快 45.7 微秒，又因自身运动约慢 7.1 微秒。净差为 38.6 微秒，乘以 c，约为每天 11.6 km。卫星时钟在发射前就设定得慢一些，以保证定位正确。Neil Ashby 关于 GPS 相对论的综述列出了计算过程。

模型与现实有何不同

闪光绘制成以地球为中心的球体，对于向所有方向发出的光而言，这是正确的。行星位置采用近似轨道公式，在滑块允许的日期范围内，误差远小于一度，在第一个场景中按真实尺寸绘制；而在火星地图上，它们被画大了几百倍。月球的方向是粗略的。旅行者 1 号的距离来自经过 NASA 里程碑的直线模型，方向也是近似的。

恒星距离采用 SIMBAD 选用的视差。一些亮星的误差达到 10 % 或更高，展览会标出研究有分歧的恒星。银河系、仙女座星系和麦哲伦星云被绘制成形状类似真实星系的点云，而非逐颗恒星绘制；距离是测量值，形状则是示意。星空场景根据你的时区估计经度。

相对论场景假设速度恒定，没有加速度。物质中的减速采用室温下 589 nm 黄光的折射率；其他颜色略有不同。绘制的斐索齿轮比它的实际转速慢 40 倍，镜子则画在 9 m 远处，而非 8,633 m。

导览与实验室

导览共有 18 步，从手电筒开始，跟随闪光前往月球、太阳、海王星、旅行者 1 号、比邻星、参宿四、银河中心和仙女座星系，再访问火星车、罗默、斐索、竞速赛道、星际飞船和夜空。

舞台下的「你与光」接收你的出生日期和身高。12 项挑战包括找到火星回复最快的日期、将斐索齿轮转到目镜变暗，以及让飞船时间不到一年便抵达比邻星；获得的星星保存在你的浏览器里。光行时间手册列出从你的屏幕到宇宙微波背景的 46 个地点，每个都有光行时间，以及在舞台上显示它的按钮。23 个隐藏发现会在你点击舞台上的小物体时打开卡片。「其实」卡片纠正十种常见误解，每张都附有来源。