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光速到底有多快?
2016-12-07 19:51:33  出处:威锋网  作者:TangoDown 编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接

1905年,26岁的阿尔伯特·爱因斯坦提出狭义相对论,永远地改变了整个物理学。这个理论描绘了时间和空间的关系,它的成立建立在两个最基本的假定上:同一套物理法则适用于所有的非加速观测者;真空中的光的速度永远不变。

几乎一个世纪,爱因斯坦无论是狭义相对论还是广义相对论都经受住了无数实验验证,并且用来解释一系列物理过程,甚至包括宇宙的起源。然而从上世纪 90 年代末开始,许多物理学家开始挑战狭义相对论。他们要做的,就是拆毁其两大支柱的其中之一 —— 光速并非不变,它过去比现在更快。

尽管这样的理论至今仍然饱受争议,但就在不久前一篇新的科学论文发表,称相关的实验可以在不远的未来进行。如果这样的理论被实验证实,那么这将表明适用于我们今天的物理法则或许并不适用于过去。爱因斯坦关于重力的理论将要被重新改写。

伦敦大学帝国理工学院的宇宙学家若奥·马奎荷说:“现在的整个物理学都在断言光速不变,所以我们需要想想怎么改变光速,还不会把根基全都打垮。”那么现在这些科学家们纷纷和光速过不去,他们的根据在哪?一切,还得从著名的“视界问题”说起。

视界问题

让我们假设光的速度确实是恒定不变的,那么从宇宙大爆炸开始,它就已经“飞行”了137亿光年,因为宇宙也是这个岁数。那么,光所走过的总距离也就形成了我们可见的宇宙的“视界”—— 大概是470亿光年,这还要算上宇宙自身的膨胀。

好了,那么我们首先想象自己就呆在直径为470亿光年的宇宙球中间。球体的的边缘就是视界,也可以被认为是宇宙微波背景(CMB)。宇宙微波背景是大爆炸事件的残留,产生于大爆炸之后不到40万年里。可以说,宇宙微波背景是我们对原始宇宙的一瞥。无论你在宇宙何处,观测到的宇宙微波背景都是137亿光年外射出的。

于是问题来了:从宇宙微波背景到宇宙的任何点上都是137亿光年的距离,那么从这个点上两端的总距离加起来就是274亿光年。换句话说,如果考虑到光和微波具有必要的同质性,那么这个宇宙就实在是太大了。宇宙学家们无论如何观测,宇宙微波背景的温度都是大概-270摄氏度。但如果光这个宇宙中最快的存在无法从宇宙的这头到另一头,那么宇宙微波背景的特性就绝不可能有如此统一。

如果觉得有些难理解,我们可以想象一个浴缸,它的两头都各自有一个水龙头,一个放冷水,另一个放热水。如果你同时关闭水龙头,那么浴缸里的水在冷热混合后最终肯定会到达一个统一的温度。但如果在放水的过程中,浴缸以极快的速度向各个方向扩大,快到冷水和热水无法接触,那么浴缸内的水温就不可能是统一的。

关于这个矛盾,一个被广泛接受的解释是,我们今天观测到的如此统一的宇宙微波背景是发生在宇宙仍然很小、很致密的时候。用刚才打的比方,那就是早在浴缸开始疯狂变大之前,里头的水温就已经达到温度统一了。但这样的解释虽然维护了光速不变,却多了一个叫“膨胀场”的东西要证明 —— 理论上这种东西只存在于宇宙早期的一个很短暂的时期内。

光能有多快?

如果采用光速可变的理论,那么解释这些矛盾就不再需要求助于虚无缥缈的“膨胀场”。如果过去的光比现在的光要快得多,那么宇宙的两端也不再是像现在这样孤立,而宇宙微波背景那奇妙的特性统一也就有了解释。

那么光速究竟能有多快?提出质疑的科学家们给不出一个确切的答案,只说是“无限快”。如今的光速是每秒 30 万公里,而科学家则表示光速曾经是这个速度的32个数量级 —— 这还是它比较慢的时候。时间越接近宇宙诞生之初,光的速度就越接近无限大。

要达到这个程度,科学家假设早期的宇宙至少有10的28次方摄氏度。随着宇宙逐渐扩张冷却,光也就开始发生相移,速度逐渐下降 —— 从某种程度上有点像水结冰 —— 直至今天我们熟悉的光速。科学家打比方说,这个速度不会再往下降了,就好比已经结成的冰遇到更冷的温度不会“更冰”。

如何证明?

那么说到关键的部分了:如果光速可变才是正确的,那么如何去用实验来证明?马奎荷表示,如果他们提出的观点是正确的,那么光的速度衰减一定是可预测的。只要有足够敏感的仪器,就可以做到测量。

包括星系在内的宇宙中的所有结构,都是早期宇宙密度波动的结果。这些波动都被记录在了宇宙微波背景里,形成早期宇宙的“图像”,也被称为频谱指数。持光速可变论的科学家们根据模型得出的频谱指数数值为0.96478。现在,就等待更加精确的仪器去测量,并得出结果了。我们不需要等太久。

话说回来,如果光速可变真的被证实,爱因斯坦的理论崩塌,这会引起物理学界的天崩地裂吗?倒也不一定。如今的学术界早已得出共识,即爱因斯坦的相对论不足以描绘出整幅图景。正因为如此,现在才有各种不同的量子引力理论试图取而代之。如果光速可变论真的被实验证明正确,那么这将会更方便人们选出哪一个量子引力理论更合理。

光速到底有多快?相对论面临重大挑战!

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