光速不是常数?这个违反爱因斯坦相对论的理论马上就能经受实验检验了

爱因斯坦理论认为光速是个常数,但有一种理论认为,在宇宙刚刚形成的早期,光速比现在要快得多

光速不变是爱因斯坦狭义相对论的前提,已经经受了无数实验事实的检验,但也有一些科学家持不同意见,认为光速是可变的——而近期,他们的理论已经提出了可以检验的预言,或许马上就能经受实验的验证,或者证伪了。

 

爱因斯坦认为光速是个恒定不变的常数,这一命题是物理学中多个理论,包括广义相对论背后的基础。目前,关于大爆炸后早期宇宙的模型也大多基于光速不变的前提。

 

光速不是常数?这个违反爱因斯坦相对论的理论马上就能经受实验检验了 

图片来源:Zee Media Bureau/Salome Phelamei

 

不过,一些研究者一直坚持认为,早期宇宙中的光速可能比现在快得多。现在,该理论的开创者之一,伦敦帝国理工学院教授João Magueijo与加拿大圆周理论物理研究所的Niayesh Afshordi基于这一理论已经做出了一个预测,可以检验它的可靠性。

 

宇宙的结构(如星系等)都来源于早期宇宙中的涨落——即各个区域的密度差异。这些早期涨落被以“谱指数”(spectral index)的形式记录在宇宙微波背景辐射(CMB)中, CMB就是宇宙最早的光绘制成的地图。

 

如果宇宙早期的光速与现在不一样,它也会被记录在这些早期涨落中。Magueijo和Afshordi使用了一个模型,可以得出精确的谱指数,他们将模型和结果发表在了《物理评论D》(Physical Review D)杂志上。

 

宇宙学家正在更详细地解读这一数字,因此,这一预言可能马上就能经受检验了——不管是证实而且是证伪。Magueijo等人预言的谱指数是0.96478,而如今根据宇宙微波背景辐射所估计的谱指数约为0.968(带有一些误差范围),与0.96478较为接近。

 

激进的理论

 

Magueijo表示:“我们在20世纪90年代提出的这一理论,如今已经逐渐成熟,能够产生可以检验的预测了。如果在不久的未来观测证实了我们的预言,这就意味着我们的理论能够对爱因斯坦的引力理论进行修正。”

 

 “光速可变这一想法在刚提出时可能看起来很激进,但它能提供数值上的预言,从而可供物理学家实实在在地检验。如果被证实,它就将证明,大自然的法则并非一成不变。”

 

与光速可变理论相对的主流理论是暴胀理论(inflation)。暴胀理论认为,早期宇宙经过了一个急剧膨胀的阶段,其膨胀速度远远超出了如今宇宙的膨胀速度

 

为什么要让光速可变呢?

 

不管是暴胀理论而且是光速可变理论,都需要解决一个被物理学家称之为“视界问题”(horizon problem)的问题。我们如今所见到的宇宙,似乎在每个地方都差不多是相同的,比如它的密度就是相对均匀的。

 

这么均匀的组成,只有在宇宙的各个区域能够产生互相联系时才能达到。然而,如果光速一直都是现在的3×10^8米每秒的话,光就没有足够的时间传遍宇宙的边边角角,把能量“平摊”开来。

 

打个比方,要开暖气让整个房间的温度均匀地升高,从暖气片处产生的热空气就必须到达整个房间并混合均匀。然而,早期膨胀中的可见宇宙就像一个过大的“房间”,等不及让光(或者说,能量)混合均匀。

 

而光速可变理论提出,早期宇宙的光速可能比现在快许多,因此在宇宙急剧膨胀的同时可以让光到达边边角角。其次,随着宇宙密度逐渐降低,光速也以可预测的方式下降,直到今天。这就是光速可变理论的核心内容。

 

而暴胀理论则以另外一种方式解决了这一问题。它提出,宇宙在还非常小的时候就已经平摊好了能量,其次则以非常快的速度急剧膨胀开来,同时保持了均匀性。虽然这保证了光速和其他物理定律的不变性,但它的成立依赖于“暴胀场”(inflation field)的存在。究竟光速可变理论能否挑战爱因斯坦相对论的光速不变性呢?让我们静静等待观测结果吧。

 

撰文 Hayley Dunning

编译 丁家琦

 

论文链接:https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.94.101301

 

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