光速並非恆定而是越來越慢？或突破相對論

1905年，26歲的阿爾伯特·愛因斯坦提出狹義相對論，從此改變了物理學的發展軌跡。狹義相對論描繪了時間與空間的關係，它建立在兩條基本假設的基礎上：物理定律對於所有的勻速運動的觀察者來說都相同;真空中的光速對任何觀察者來說恆定不變。

在過去的一個世紀內，愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論都經受住了實驗的檢驗，並且能夠用於解釋許多物理現象，包括宇宙的起源。但在20世紀90年代末期，少數幾位物理學家向狹義相對論的一條基本假設發起了挑戰。他們認為，光速並非恆定不變：在早期宇宙，光速比現在要快。

自提出之日起，光速可變理論一直存在爭議。而根據發表在《物理學評論D》的一篇論文，在不久的將來，這一理論將有望得到檢驗。如果實驗結果支持光速可變理論，那就意味著自然界的法則並非如我們今天所理解的那樣永恆不變，我們也需要重新審視愛因斯坦的引力理論。

「現代物理學完全是基於『光速不變』推導出來的，」倫敦帝國學院的宇宙學家Joao Magueijo說道，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現有物理體系產生過多影響的基礎上，將光速可變性嵌入其中。」

Magueijo介紹說，他提出光速可變理論，是為了解決長久以來宇宙學中一直存在的「視界問題」——該問題正是因為假定光速恆定而產生的。

如果光速始終不變，那麼自從約137億年前的宇宙大爆炸以來，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限制，就意味著宇宙的可見範圍是有邊界的，這個邊界的半徑大約是470億光年(儘管光只能穿行137億光年，但我們還應該將宇宙膨脹效應計算在內)。

我們把可見的宇宙想像成一個半徑470億光年的大球，而我們坐在這個球的中心。球的邊界，亦即宇宙的視界，乃是宇宙微波背景(cosmic microwave background， CMB)發出的地點。宇宙微波背景是產生於宇宙大爆炸後大約40萬年時的輻射，是人類所能夠獲得的最早的宇宙圖像。不論你處於宇宙中的哪個位置，你都處於你的宇宙視界的中心，而此刻觀測到的宇宙微波背景則距離你有137億光年遠。

問題在於，宇宙中的任何一點到微波背景輻射發出的地點，距離都是137億光年，那麼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，在宇宙壽命範圍內，光不可能從一端穿行到另一端。然而，這又與我們觀測到的微波背景輻射的均一性相矛盾。

宇宙學家觀測到，宇宙微波背景輻射極其均勻。天空任何一個方向的微波背景輻射的溫度都是大約-270℃，相對漲落只有十萬分之一。然而，如果宇宙中運動最快的光，窮盡宇宙之壽命都不能從宇宙一端穿行到另一端，那麼我們就不可能觀察到如此均一的微波背景輻射。

要理解其中的道理，我們可以用浴盆來類比宇宙。浴盆兩端各有一個水龍頭，其中一個在放冷水，另一個在放熱水。如果把兩個水龍頭關閉，那麼冷水與熱水混合，最終浴盆中的水會達到均勻一致的溫度。但是，如果在進水的同時，浴盆的各個方向又在不斷向外快速延伸，以至於冷水和熱水永遠無法相遇，那麼浴盆一端就永遠是冷水，另一端永遠是熱水，無法達到同樣的溫度。

宇宙大爆炸的過程，就類似於向外延伸的浴盆，但能夠反映宇宙早期溫度的微波背景輻射卻沒有冷熱起伏，反而十分均勻，這是怎麼回事呢？

目前，在嘗試解決「視界問題」的所有假說中，暴脹理論(inflation theory)呼聲最高。暴脹理論認為，宇宙微波背景輻射之所以如此均勻，是因為宇宙在小而緻密的階段就已經達到了均一狀態，然後在暴脹過程中繼續保持均一。這就相當於，浴盆中的水先混合達到了均勻的溫度，然後才開始快速向外延伸。

儘管暴脹理論能夠兼容光速的不變性，但它要求存在一個「暴脹場」，並且這個場只在早期宇宙的一段短暫的時間內存在。

然而，光速可變理論的支持者稱，如果早期宇宙中的光速遠高於當今宇宙，則無需藉助暴脹，就能解決視界問題。如此一來，宇宙相距甚遠的兩端能夠在宇宙膨脹的過程中保持「連通」，從而導致宇宙各處的微波背景輻射均勻一致。

然而，對於支持暴脹宇宙模型的理論物理學家來說，允許光速發生變化，就如同顛倒狹義相對論中的一個正負號。

「多數情況下，這種顛倒符號的事情，會導致一些災難性的後果，因為改變後的理論可能無法在物理上自洽。」劍橋大學理論宇宙學中心的高級研究人員David Marsh說道，他沒有參與該論文的工作。「Magueijo等人提到了一些隨之而來的挑戰，但要想構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，那麼它不僅僅會影響宇宙學，還會對整個物理學產生許多深遠的影響。」

那麼，在宇宙大爆炸剛剛發生不久時，光速究竟比現在快多少呢？Magueijo和他的同事、滑鐵盧大學物理學與天文學助理教授Niayesh Afshordi給出的答案是：快無限多倍。

兩位物理學家指出，早期宇宙中的光速至少比現在30萬千米/秒的光速快32個數量級，而這只是一個下限值。隨著時間趨近於宇宙大爆炸的時刻，光速也將趨向於無窮大。

按照光速可變的觀點來看，光速偏快是因為早期宇宙溫度極高。Afshordi指出，他們的理論要求早期宇宙是一個溫度至少達1028攝氏度的火爐。相比之下，人類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個數量級之多。

隨著宇宙膨脹，其溫度降低到1028攝氏度以下。就如同液態水溫度降低到一定程度以後會結冰一樣，光在此經歷了一次相變，光速變成當前的30萬千米/秒。冰不會因溫度更低而更堅硬，光速也不會因溫度更低而變得更慢，於是從那以後光就保持在這個值而不再變化。

如果Magueijo和Afshordi的光速可變理論是正確的，那麼我們就可以預測光速變慢的過程，這也就意味著只要有足夠精密的測量裝置，我們就可以測量光速的衰減。這正是他們最新論文中的內容。

Afshordi介紹說，星系以及宇宙中的其他結構之所以能夠存在，乃是因為早期宇宙的密度存在漲落。這些密度漲落體現為宇宙微波背景輻射的「譜指數」(spectral index)，我們可以把它想像成早期宇宙的不同「顏色」。譜指數的中央基準值為1，對應於一個各個尺度上引力漲落大小均相同的宇宙。譜指數高於1，宇宙就是「藍色」的，代表著偏向於短波長的漲落;譜指數低於1，宇宙就是「紅色」的，代表著偏向於長波長的漲落。

儘管暴脹宇宙模型中也包含紅色的譜指數，但無法精確地計算出譜指數的值，因而也就無法計算出早期宇宙中引力漲落的精確值。在新論文中，Magueijo和Afshordi給出譜指數為0.96478，略微偏紅，這一結果比目前測量到的譜指數(約為0.968)精確兩個數量級。

既然兩位物理學家已經用光速可變理論推導出了譜指數的更嚴格的結果，那麼接下來要做的就是提高實驗精度來探測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或證偽。Magueijo和Afshordi兩人預計，在2020年之前就會有足夠精確的探測結果，但Marsh和其他物理學家仍持謹慎態度。

「與暴脹理論相比，Afshordi與Magueijo的模型還很複雜，我們尚未很好地理解它，」Marsh說道，「不過，我們對暴脹理論的理解已經發展了超過35年，其中也仍有開放的理論問題有待解決。只要投入更多的時間與研究精力，光速可變模型的理論基礎當然有可能得到更深入的理解，它所做出的理論預言也會更加優美。」

如果光速可變理論得到證實，它將顛覆愛因斯坦狹義相對論的一個主要的公理基礎，迫使物理學家重新考慮引力的本性。然而Afshordi介紹說，物理學界多多少少都認為愛因斯坦的引力理論不可能包含物理學的全貌，未來必將有一個量子引力理論取代廣義相對論。目前，物理學家已經提出了多種可能的方案，來競爭量子引力理論的寶座，但如果光速可變理論被驗證為真，那麼量子引力理論的可選範圍就將大大縮小。

「如果我們想要觀測量子引力現象，那麼最好拋棄暴脹的概念，」Magueijo說，「暴脹模型其實是在迴避基礎物理問題，它將可觀測的宇宙與超越相對論的物理隔離開來。而改變光速則是重訪物理學的根基，是在嘗試突破相對論。這是開啟新觀念、新理論的最佳方式。」

來源：環球科學

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