光速并非恒定而是越来越慢?或突破相对论

2018年01月13日 09:39 环球科学

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。

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