光速并非恒定而是越來(lái)越慢？或突破相對(duì)論

來(lái)源：環(huán)球科學(xué) 發(fā)布時(shí)間：2018-01-14瀏覽：2704次

光速并非恒定而是越來(lái)越慢？或突破相對(duì)論

　　1905年，26歲的阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出狹義相對(duì)論，從此改變了物理學(xué)的發(fā)展軌跡。狹義相對(duì)論描繪了時(shí)間與空間的關(guān)系，它建立在兩條基本假設(shè)的基礎(chǔ)上：物理定律對(duì)于所有的勻速運(yùn)動(dòng)的觀(guān)察者來(lái)說(shuō)都相同；真空中的光速對(duì)任何觀(guān)察者來(lái)說(shuō)恒定不變。

　　在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)內(nèi)，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論都經(jīng)受住了實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，并且能夠用于解釋許多物理現(xiàn)象，包括宇宙的起源。但在20世紀(jì)90年代末期，少數(shù)幾位物理學(xué)家向狹義相對(duì)論的一條基本假設(shè)發(fā)起了挑戰(zhàn)。他們認(rèn)為，光速并非恒定不變：在早期宇宙，光速比現(xiàn)在要快。

　　自提出之日起，光速可變理論一直存在爭(zhēng)議。而根據(jù)發(fā)表在《物理學(xué)評(píng)論D》的一篇論文，在不久的將來(lái)，這一理論將有望得到檢驗(yàn)。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持光速可變理論，那就意味著自然界的法則并非如我們今天所理解的那樣永恒不變，我們也需要重新審視愛(ài)因斯坦的引力理論。

　　“現(xiàn)代物理學(xué)完全是基于‘光速不變’推導(dǎo)出來(lái)的，”倫敦帝國(guó)學(xué)院的宇宙學(xué)家Joao Magueijo說(shuō)道，他最初提出了光速可變理論，“所以我們必須要想辦法在不對(duì)現(xiàn)有物理體系產(chǎn)生過(guò)多影響的基礎(chǔ)上，將光速可變性嵌入其中?！?/p>

　　Magueijo介紹說(shuō)，他提出光速可變理論，是為了解決長(zhǎng)久以來(lái)宇宙學(xué)中一直存在的“視界問(wèn)題”——該問(wèn)題正是因?yàn)榧俣ü馑俸愣ǘa(chǎn)生的。

　　如果光速始終不變，那么自從約137億年前的宇宙大爆炸以來(lái)，光只可能在宇宙中穿行大約137億光年。光穿行的距離受到這個(gè)限制，就意味著宇宙的可見(jiàn)范圍是有邊界的，這個(gè)邊界的半徑大約是470億光年（盡管光只能穿行137億光年，但我們還應(yīng)該將宇宙膨脹效應(yīng)計(jì)算在內(nèi)）。

　　我們把可見(jiàn)的宇宙想象成一個(gè)半徑470億光年的大球，而我們坐在這個(gè)球的中心。球的邊界，亦即宇宙的視界，乃是宇宙微波背景（cosmic microwave background， CMB）發(fā)出的地點(diǎn)。宇宙微波背景是產(chǎn)生于宇宙大爆炸后大約40萬(wàn)年時(shí)的輻射，是人類(lèi)所能夠獲得的最早的宇宙圖像。不論你處于宇宙中的哪個(gè)位置，你都處于你的宇宙視界的中心，而此刻觀(guān)測(cè)到的宇宙微波背景則距離你有137億光年遠(yuǎn)。

　　問(wèn)題在于，宇宙中的任何一點(diǎn)到微波背景輻射發(fā)出的地點(diǎn)，距離都是137億光年，那么宇宙視界兩端的微波背景輻射之間的距離就大約是274億光年。這也就意味著宇宙太大，在宇宙壽命范圍內(nèi)，光不可能從一端穿行到另一端。然而，這又與我們觀(guān)測(cè)到的微波背景輻射的均一性相矛盾。

　　宇宙學(xué)家觀(guān)測(cè)到，宇宙微波背景輻射極其均勻。天空任何一個(gè)方向的微波背景輻射的溫度都是大約-270℃，相對(duì)漲落只有十萬(wàn)分之一。然而，如果宇宙中運(yùn)動(dòng)最快的光，窮盡宇宙之壽命都不能從宇宙一端穿行到另一端，那么我們就不可能觀(guān)察到如此均一的微波背景輻射。

　　要理解其中的道理，我們可以用浴盆來(lái)類(lèi)比宇宙。浴盆兩端各有一個(gè)水龍頭，其中一個(gè)在放冷水，另一個(gè)在放熱水。如果把兩個(gè)水龍頭關(guān)閉，那么冷水與熱水混合，最終浴盆中的水會(huì)達(dá)到均勻一致的溫度。但是，如果在進(jìn)水的同時(shí)，浴盆的各個(gè)方向又在不斷向外快速延伸，以至于冷水和熱水永遠(yuǎn)無(wú)法相遇，那么浴盆一端就永遠(yuǎn)是冷水，另一端永遠(yuǎn)是熱水，無(wú)法達(dá)到同樣的溫度。

　　宇宙大爆炸的過(guò)程，就類(lèi)似于向外延伸的浴盆，但能夠反映宇宙早期溫度的微波背景輻射卻沒(méi)有冷熱起伏，反而十分均勻，這是怎么回事呢？

　　目前，在嘗試解決“視界問(wèn)題”的所有假說(shuō)中，暴脹理論（inflation theory）呼聲最高。暴脹理論認(rèn)為，宇宙微波背景輻射之所以如此均勻，是因?yàn)橛钪嬖谛《旅艿碾A段就已經(jīng)達(dá)到了均一狀態(tài)，然后在暴脹過(guò)程中繼續(xù)保持均一。這就相當(dāng)于，浴盆中的水先混合達(dá)到了均勻的溫度，然后才開(kāi)始快速向外延伸。

　　盡管暴脹理論能夠兼容光速的不變性，但它要求存在一個(gè)“暴脹場(chǎng)”，并且這個(gè)場(chǎng)只在早期宇宙的一段短暫的時(shí)間內(nèi)存在。

　　然而，光速可變理論的支持者稱(chēng)，如果早期宇宙中的光速遠(yuǎn)高于當(dāng)今宇宙，則無(wú)需借助暴脹，就能解決視界問(wèn)題。如此一來(lái)，宇宙相距甚遠(yuǎn)的兩端能夠在宇宙膨脹的過(guò)程中保持“連通”，從而導(dǎo)致宇宙各處的微波背景輻射均勻一致。

　　然而，對(duì)于支持暴脹宇宙模型的理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，允許光速發(fā)生變化，就如同顛倒狹義相對(duì)論中的一個(gè)正負(fù)號(hào)。

　　“多數(shù)情況下，這種顛倒符號(hào)的事情，會(huì)導(dǎo)致一些災(zāi)難性的后果，因?yàn)楦淖兒蟮睦碚摽赡軣o(wú)法在物理上自洽。”劍橋大學(xué)理論宇宙學(xué)中心的高級(jí)研究人員David Marsh說(shuō)道，他沒(méi)有參與該論文的工作?！癕agueijo等人提到了一些隨之而來(lái)的挑戰(zhàn)，但要想構(gòu)建真正健全的理論模型，還有許多工作要做。如果光速可變理論真的能夠站住腳，那么它不僅僅會(huì)影響宇宙學(xué)，還會(huì)對(duì)整個(gè)物理學(xué)產(chǎn)生許多深遠(yuǎn)的影響。”

　　那么，在宇宙大爆炸剛剛發(fā)生不久時(shí)，光速究竟比現(xiàn)在快多少呢？Magueijo和他的同事、滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)與天文學(xué)助理教授Niayesh Afshordi給出的答案是：快無(wú)限多倍。

　　兩位物理學(xué)家指出，早期宇宙中的光速至少比現(xiàn)在30萬(wàn)千米/秒的光速快32個(gè)數(shù)量級(jí)，而這只是一個(gè)下限值。隨著時(shí)間趨近于宇宙大爆炸的時(shí)刻，光速也將趨向于無(wú)窮大。

　　按照光速可變的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，光速偏快是因?yàn)樵缙谟钪鏈囟葮O高。Afshordi指出，他們的理論要求早期宇宙是一個(gè)溫度至少達(dá)1028攝氏度的火爐。相比之下，人類(lèi)在地球上所能獲得的最高溫度只有1016攝氏度，與早期宇宙相差12個(gè)數(shù)量級(jí)之多。

　　隨著宇宙膨脹，其溫度降低到1028攝氏度以下。就如同液態(tài)水溫度降低到一定程度以后會(huì)結(jié)冰一樣，光在此經(jīng)歷了一次相變，光速變成當(dāng)前的30萬(wàn)千米/秒。冰不會(huì)因溫度更低而更堅(jiān)硬，光速也不會(huì)因溫度更低而變得更慢，于是從那以后光就保持在這個(gè)值而不再變化。

　　如果Magueijo和Afshordi的光速可變理論是正確的，那么我們就可以預(yù)測(cè)光速變慢的過(guò)程，這也就意味著只要有足夠精密的測(cè)量裝置，我們就可以測(cè)量光速的衰減。這正是他們最新論文中的內(nèi)容。

　　Afshordi介紹說(shuō)，星系以及宇宙中的其他結(jié)構(gòu)之所以能夠存在，乃是因?yàn)樵缙谟钪娴拿芏却嬖跐q落。這些密度漲落體現(xiàn)為宇宙微波背景輻射的“譜指數(shù)”（spectral index），我們可以把它想象成早期宇宙的不同“顏色”。譜指數(shù)的中央基準(zhǔn)值為1，對(duì)應(yīng)于一個(gè)各個(gè)尺度上引力漲落大小均相同的宇宙。譜指數(shù)高于1，宇宙就是“藍(lán)色”的，代表著偏向于短波長(zhǎng)的漲落；譜指數(shù)低于1，宇宙就是“紅色”的，代表著偏向于長(zhǎng)波長(zhǎng)的漲落。

　　盡管暴脹宇宙模型中也包含紅色的譜指數(shù)，但無(wú)法精確地計(jì)算出譜指數(shù)的值，因而也就無(wú)法計(jì)算出早期宇宙中引力漲落的精確值。在新論文中，Magueijo和Afshordi給出譜指數(shù)為0.96478，略微偏紅，這一結(jié)果比目前測(cè)量到的譜指數(shù)（約為0.968）精確兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　既然兩位物理學(xué)家已經(jīng)用光速可變理論推導(dǎo)出了譜指數(shù)的更嚴(yán)格的結(jié)果，那么接下來(lái)要做的就是提高實(shí)驗(yàn)精度來(lái)探測(cè)宇宙微波背景輻射以及星系在宇宙空間中的分布，看能否將光速可變理論證實(shí)或證偽。Magueijo和Afshordi兩人預(yù)計(jì)，在2020年之前就會(huì)有足夠精確的探測(cè)結(jié)果，但Marsh和其他物理學(xué)家仍持謹(jǐn)慎態(tài)度。

　　“與暴脹理論相比，Afshordi與Magueijo的模型還很復(fù)雜，我們尚未很好地理解它，”Marsh說(shuō)道，“不過(guò)，我們對(duì)暴脹理論的理解已經(jīng)發(fā)展了超過(guò)35年，其中也仍有開(kāi)放的理論問(wèn)題有待解決。只要投入更多的時(shí)間與研究精力，光速可變模型的理論基礎(chǔ)當(dāng)然有可能得到更深入的理解，它所做出的理論預(yù)言也會(huì)更加優(yōu)美?！?/p>

　　如果光速可變理論得到證實(shí)，它將顛覆愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的一個(gè)主要的公理基礎(chǔ)，迫使物理學(xué)家重新考慮引力的本性。然而Afshordi介紹說(shuō)，物理學(xué)界多多少少都認(rèn)為愛(ài)因斯坦的引力理論不可能包含物理學(xué)的全貌，未來(lái)必將有一個(gè)量子引力理論取代廣義相對(duì)論。目前，物理學(xué)家已經(jīng)提出了多種可能的方案，來(lái)競(jìng)爭(zhēng)量子引力理論的寶座，但如果光速可變理論被驗(yàn)證為真，那么量子引力理論的可選范圍就將大大縮小。

　　“如果我們想要觀(guān)測(cè)量子引力現(xiàn)象，那么最好拋棄暴脹的概念，”Magueijo說(shuō)，“暴脹模型其實(shí)是在回避基礎(chǔ)物理問(wèn)題，它將可觀(guān)測(cè)的宇宙與超越相對(duì)論的物理隔離開(kāi)來(lái)。而改變光速則是重訪(fǎng)物理學(xué)的根基，是在嘗試突破相對(duì)論。這是開(kāi)啟新觀(guān)念、新理論的最佳方式?！?/p>

　　撰文 Daniel Oberhaus

　　翻譯 趙昌昊

　　編輯 吳非