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光速并非恒定 而是越来越慢?

如果光速是可变的,而且过去比现在更快,那一些宇宙学难题就可以迎刃而解了。

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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。

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