04.21 光速並非恆定,而是越來越慢?一些宇宙學難題就可以迎刃而解

如果光速是可變的,而且過去比現在更快,那一些宇宙學難題就可以迎刃而解了。

1905年,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。

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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。

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而根據發表在《物理學評論》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。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。

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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)。

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。

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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。

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。

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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。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。


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