光速不是恒定的,而是越来越慢。相对论会被推翻吗?

1905年,26岁的爱因斯坦提出了狭义相对论,改变了物理学的发展轨迹。狭义相对论描述了时间和空间的关系,它基于两个基本假设:对于所有匀速运动的观察者,物理定律都是一样的;对任何观察者来说,真空中的光速都是恒定的。

在过去的一个世纪里,爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论经受住了实验的考验,可以用来解释很多物理现象,包括宇宙的起源。但是在20世纪90年代后期,一些物理学家挑战了狭义相对论的一个基本假设。他们认为光速不是恒定的:在早期宇宙中,光速比现在快。

自提出以来,光速可变一直存在争议。根据发表在《物理评论D》上的一篇论文,这一理论有望在不久的将来得到验证。如果实验结果支持光速可变,那就意味着自然规律并不像我们今天理解的那样永恒,我们也需要重新审视爱因斯坦的引力理论。如果光速保持不变,那么从大约654.38+037亿年前的BIGBANG开始,光在宇宙中只能行进大约654.38+037亿光年。光传播的距离受此限制,这意味着宇宙的可见范围有一个边界,这个边界的半径约为470亿光年(虽然光只能穿越654.38+037亿光年,但我们也要把宇宙的膨胀效应考虑进去)。

我们把可见的宇宙想象成一个半径为470亿光年的大球,我们坐在球的中心。球体的边界,也就是宇宙的视界,是宇宙微波背景(CMB)发射的地方。宇宙微波背景是大爆炸后约40万年产生的辐射,是人类能获得的最早的宇宙图像。无论你在宇宙的哪个位置,你都在你的宇宙视界的中心,观测到的宇宙微波背景在654.38+037亿光年之外。

问题是宇宙中任意一点到微波背景辐射发出的地方的距离是654.38+037亿光年,那么宇宙视界两端的微波背景辐射之间的距离大约是274亿光年。这意味着宇宙太大了,光无法在宇宙的寿命内从一端传播到另一端。然而,这与我们观察到的微波背景辐射的均匀性相反。

BIGBANG的过程类似于一个延长的浴缸,但是能够反映宇宙早期温度的微波背景辐射非常均匀,而不是冷热波动。这是怎么回事?

目前,在所有试图解决“视界问题”的假说中,暴胀理论的呼声最高。根据暴胀理论,宇宙微波背景辐射之所以如此均匀,是因为宇宙在小而密的阶段达到了均匀状态,然后在暴胀过程中继续保持均匀。这相当于把浴缸里的水混合在一起,达到一个均匀的温度,然后开始快速向外延伸。

虽然暴胀理论可以兼容光速不变性,但它需要一个“暴胀场”的存在,而这个场在早期宇宙中只存在很短的时间。

然而,可变光速的支持者声称,如果早期宇宙中的光速远高于现在宇宙中的光速,那么视界的问题就可以在不膨胀的情况下得到解决。这样,在宇宙膨胀的过程中,宇宙相距甚远的两端可以保持“连接”,导致整个宇宙的微波背景辐射均匀一致。

然而,对于支持膨胀宇宙模型的理论物理学家来说,允许光速改变就像是反转狭义相对论中的一个符号。

两位物理学家指出,早期宇宙的光速比现在的30万公里/秒至少快32个数量级,这只是一个下限。随着时间接近BIGBANG,光速也会趋于无穷大。

根据光速是可变的观点,光速之所以更快,是因为宇宙早期温度极高。阿夫肖尔迪指出,他们的理论要求早期宇宙是一个温度至少为1028摄氏度的熔炉。相比之下,人类在地球上能得到的最高温度只有1016摄氏度,与早期宇宙相差12个数量级。

随着宇宙的膨胀,其温度下降到1028摄氏度以下。就像液态水在温度下降到一定程度时会结冰一样,光在这里会发生相变,光速就变成了现在的30万公里/秒..冰不会因为温度更低而更硬,光速也不会因为温度更低而更慢,所以光从那以后就一直保持这个数值。

如果Magueijo和Afshordi的可变光速是正确的,那么我们可以预测光速减慢的过程,这意味着只要有足够精确的测量装置,我们就可以测量光速的衰减。这是他们最新论文的内容。

阿夫肖尔迪说,星系和宇宙中的其他结构之所以能够存在,是因为早期宇宙的密度发生了波动。这些密度起伏反映在宇宙微波背景辐射的“光谱指数”上,我们可以把它想象成早期宇宙的不同“颜色”。光谱指数的中心参考值是1,对应的是一个在所有尺度上引力涨落都相同的宇宙。当光谱指数高于1时,宇宙呈“蓝色”,代表偏向短波长的波动;如果光谱指数低于1,宇宙是“红色”的,代表偏向长波长的涨落。

如果光速可变得到证实,将颠覆爱因斯坦狭义相对论的主要公理之一,迫使物理学家重新考虑引力的本质。阿夫肖尔迪说,但是,爱因斯坦的引力理论不可能包含物理学的全貌,未来必须有一个量子引力理论来取代广义相对论。目前物理学家已经提出了很多可能的方案来争夺量子引力理论的宝座,但是如果可变光速被验证为真,量子引力理论的可选范围将会大大缩小。

“如果我们想观察量子引力现象,我们最好抛弃暴胀的概念,”Magueijo说。“暴胀模型实际上是在回避基本的物理问题,它把可观测的宇宙从相对论之外的物理学中分离出来。改变光速是重温物理学,试图突破相对论的基础。这是开启新思想、新理论的最好方式。”