光速并非恒定而是越来越慢?或突破相对论

[ 录入者:zhangms | 时间:2018-01-16 09:26:47 | 作者:赵昌昊 吴非/编译 | 来源:新浪科技 | 浏览:1331次 ]

1905年,26岁的阿尔伯特·爱因斯坦提出狭义相对论,从此改变了物理学的发展轨迹。狭义相对论描绘了时间与空间的关系,它建立在两条基本假设的基础上:物理定律对于所有的匀速运动的观察者来说都相同;真空中的光速对任何观察者来说恒定不变。

在过去的一个世纪内,爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论都经受住了实验的检验,并且能够用于解释许多物理现象,包括宇宙的起源。但在20世纪90年代末期,少数几位物理学家向狭义相对论的一条基本假设发起了挑战。他们认为,光速并非恒定不变:在早期宇宙,光速比现在要快。

自提出之日起,光速可变理论一直存在争议。而根据发表在《物理学评论D》的一篇论文,在不久的将来,这一理论将有望得到检验。如果实验结果支持光速可变理论,那就意味着自然界的法则并非如我们今天所理解的那样永恒不变,我们也需要重新审视爱因斯坦的引力理论。

“现代物理学完全是基于‘光速不变’推导出来的,”伦敦帝国学院的宇宙学家Joao Magueijo说道,他最初提出了光速可变理论,“所以我们必须要想办法在不对现有物理体系产生过多影响的基础上,将光速可变性嵌入其中。”

Magueijo介绍说,他提出光速可变理论,是为了解决长久以来宇宙学中一直存在的“视界问题”——该问题正是因为假定光速恒定而产生的。

如果光速始终不变,那么自从约137亿年前的宇宙大爆炸以来,光只可能在宇宙中穿行大约137亿光年。光穿行的距离受到这个限制,就意味着宇宙的可见范围是有边界的,这个边界的半径大约是470亿光年(尽管光只能穿行137亿光年,但我们还应该将宇宙膨胀效应计算在内)。

我们把可见的宇宙想象成一个半径470亿光年的大球,而我们坐在这个球的中心。球的边界,亦即宇宙的视界,乃是宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)发出的地点。宇宙微波背景是产生于宇宙大爆炸后大约40万年时的辐射,是人类所能够获得的最早的宇宙图像。不论你处于宇宙中的哪个位置,你都处于你的宇宙视界的中心,而此刻观测到的宇宙微波背景则距离你有137亿光年远。

问题在于,宇宙中的任何一点到微波背景辐射发出的地点,距离都是137亿光年,那么宇宙视界两端的微波背景辐射之间的距离就大约是274亿光年。这也就意味着宇宙太大,在宇宙寿命范围内,光不可能从一端穿行到另一端。然而,这又与我们观测到的微波背景辐射的均一性相矛盾。

宇宙学家观测到,宇宙微波背景辐射极其均匀。天空任何一个方向的微波背景辐射的温度都是大约-270℃,相对涨落只有十万分之一。然而,如果宇宙中运动最快的光,穷尽宇宙之寿命都不能从宇宙一端穿行到另一端,那么我们就不可能观察到如此均一的微波背景辐射。

要理解其中的道理,我们可以用浴盆来类比宇宙。浴盆两端各有一个水龙头,其中一个在放冷水,另一个在放热水。如果把两个水龙头关闭,那么冷水与热水混合,最终浴盆中的水会达到均匀一致的温度。但是,如果在进水的同时,浴盆的各个方向又在不断向外快速延伸,以至于冷水和热水永远无法相遇,那么浴盆一端就永远是冷水,另一端永远是热水,无法达到同样的温度。

宇宙大爆炸的过程,就类似于向外延伸的浴盆,但能够反映宇宙早期温度的微波背景辐射却没有冷热起伏,反而十分均匀,这是怎么回事呢?

目前,在尝试解决“视界问题”的所有假说中,暴胀理论(inflation theory)呼声最高。暴胀理论认为,宇宙微波背景辐射之所以如此均匀,是因为宇宙在小而致密的阶段就已经达到了均一状态,然后在暴胀过程中继续保持均一。这就相当于,浴盆中的水先混合达到了均匀的温度,然后才开始快速向外延伸。

尽管暴胀理论能够兼容光速的不变性,但它要求存在一个“暴胀场”,并且这个场只在早期宇宙的一段短暂的时间内存在。

然而,光速可变理论的支持者称,如果早期宇宙中的光速远高于当今宇宙,则无需借助暴胀,就能解决视界问题。如此一来,宇宙相距甚远的两端能够在宇宙膨胀的过程中保持“连通”,从而导致宇宙各处的微波背景辐射均匀一致。

然而,对于支持暴胀宇宙模型的理论物理学家来说,允许光速发生变化,就如同颠倒狭义相对论中的一个正负号。

“多数情况下,这种颠倒符号的事情,会导致一些灾难性的后果,因为改变后的理论可能无法在物理上自洽。”剑桥大学理论宇宙学中心的高级研究人员David Marsh说道,他没有参与该论文的工作。“Magueijo等人提到了一些随之而来的挑战,但要想构建真正健全的理论模型,还有许多工作要做。如果光速可变理论真的能够站住脚,那么它不仅仅会影响宇宙学,还会对整个物理学产生许多深远的影响。”

那么,在宇宙大爆炸刚刚发生不久时,光速究竟比现在快多少呢?Magueijo和他的同事、滑铁卢大学物理学与天文学助理教授Niayesh Afshordi给出的答案是:快无限多倍。

两位物理学家指出,早期宇宙中的光速至少比现在30万千米/秒的光速快32个数量级,而这只是一个下限值。随着时间趋近于宇宙大爆炸的时刻,光速也将趋向于无穷大。

按照光速可变的观点来看,光速偏快是因为早期宇宙温度极高。Afshordi指出,他们的理论要求早期宇宙是一个温度至少达1028摄氏度的火炉。相比之下,人类在地球上所能获得的最高温度只有1016摄氏度,与早期宇宙相差12个数量级之多。

随着宇宙膨胀,其温度降低到1028摄氏度以下。就如同液态水温度降低到一定程度以后会结冰一样,光在此经历了一次相变,光速变成当前的30万千米/秒。冰不会因温度更低而更坚硬,光速也不会因温度更低而变得更慢,于是从那以后光就保持在这个值而不再变化。

如果Magueijo和Afshordi的光速可变理论是正确的,那么我们就可以预测光速变慢的过程,这也就意味着只要有足够精密的测量装置,我们就可以测量光速的衰减。这正是他们最新论文中的内容。

Afshordi介绍说,星系以及宇宙中的其他结构之所以能够存在,乃是因为早期宇宙的密度存在涨落。这些密度涨落体现为宇宙微波背景辐射的“谱指数”(spectral index),我们可以把它想象成早期宇宙的不同“颜色”。谱指数的中央基准值为1,对应于一个各个尺度上引力涨落大小均相同的宇宙。谱指数高于1,宇宙就是“蓝色”的,代表着偏向于短波长的涨落;谱指数低于1,宇宙就是“红色”的,代表着偏向于长波长的涨落。

尽管暴胀宇宙模型中也包含红色的谱指数,但无法精确地计算出谱指数的值,因而也就无法计算出早期宇宙中引力涨落的精确值。在新论文中,Magueijo和Afshordi给出谱指数为0.96478,略微偏红,这一结果比目前测量到的谱指数(约为0.968)精确两个数量级。

既然两位物理学家已经用光速可变理论推导出了谱指数的更严格的结果,那么接下来要做的就是提高实验精度来探测宇宙微波背景辐射以及星系在宇宙空间中的分布,看能否将光速可变理论证实或证伪。Magueijo和Afshordi两人预计,在2020年之前就会有足够精确的探测结果,但Marsh和其他物理学家仍持谨慎态度。

“与暴胀理论相比,Afshordi与Magueijo的模型还很复杂,我们尚未很好地理解它,”Marsh说道,“不过,我们对暴胀理论的理解已经发展了超过35年,其中也仍有开放的理论问题有待解决。只要投入更多的时间与研究精力,光速可变模型的理论基础当然有可能得到更深入的理解,它所做出的理论预言也会更加优美。”

如果光速可变理论得到证实,它将颠覆爱因斯坦狭义相对论的一个主要的公理基础,迫使物理学家重新考虑引力的本性。然而Afshordi介绍说,物理学界多多少少都认为爱因斯坦的引力理论不可能包含物理学的全貌,未来必将有一个量子引力理论取代广义相对论。目前,物理学家已经提出了多种可能的方案,来竞争量子引力理论的宝座,但如果光速可变理论被验证为真,那么量子引力理论的可选范围就将大大缩小。

“如果我们想要观测量子引力现象,那么最好抛弃暴胀的概念,”Magueijo说,“暴胀模型其实是在回避基础物理问题,它将可观测的宇宙与超越相对论的物理隔离开来。而改变光速则是重访物理学的根基,是在尝试突破相对论。这是开启新观念、新理论的最佳方式。”

撰文 Daniel Oberhaus

翻译 赵昌昊

编辑 吴非

原文链接:https://motherboard.vice.com/en_us/article/8q87gk/light-speed-slowed

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