在宇宙的歷史中真空光速是否一直沒變過?

一直是30萬公里/秒?還是從慢到快或者從快到慢或者時快時慢?


【務必請見評論區置頂梳理總結】這個提問真是太好啦,非常有意義!因為這是一個沒有意義的問題啊~!(手動斜眼)。

我說的,是真心的,可不是反話。這「沒有意義」的問題裡面,竟有一個物理學史上意義重大而喜聞樂見的故事。

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吐槽在先,題主的問題每個字都表達的很清晰,對於底下諸位回答異口同聲提到光速不變原理,我想,你們的語文老師和物理老師現在正在爭論這個鍋該由誰來背←_←請看到這句話的答主別生氣,雖然你們是牛頭不對馬嘴,但我就開開玩笑嘛,也沒有惡意。

需要我來重複一遍嗎?光速不變原理:真空中的光速在所有慣性參考系下都是相同的。和歷史上這個值是否有變化,無半點關係。

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在被邀請回答這一題的時候,我覺得我需要查點資料,因為我也不知道答案。這一查不要緊,順著線索竟挖出了一番故事[1]。

2002年8月8日, P. C. W. Davies, T. M. Davis C. H. Lineweaver發表文章於Nature雜誌[2]。其文引用了1999年的一項研究,研究者通過觀測類星體光譜,測得精細結構常數α=e2/(4πε??c)在宇宙歷史中的變化[3]。作者稱,由於精細結構常數有關於多個物理學基本常數,值得討論究竟哪些常數是恆量,哪些常數發生了變化。作者通過分析黑洞熱力學得出結論,支持光速發生變化,認為如果電子電量發生變化將導致違背基本原理的後果。

然而,這一結論被打臉了[4]。2002年8月13日(才五天啊!一定是被氣得不輕哪~),M. J. Duff通過arXiv嚴正指出上述文章的討論前提是完全錯誤的:物理學中,唯有無量綱的常數(比如上述α)才有討論其隨時間變化的意義。帶量綱的數(比如構成α的物理學常數),量綱的單位是人為規定的,因此其具體數值、數值的變換僅僅依賴及等價於重新定義量綱的單位。因此,談論有量綱的物理學常數是否隨時間發生變化,此問題儼然耍流氓。這裡,「量綱的單位」指的是「多長被定義為一米」,「多久被定義為一秒」等。

筆者支持Duff的觀點。以下到分割線內容為筆者自述,與Duff文章內容無責任關聯。想想看,一米的定義是什麼?物理專業的學生是不該猶豫的:一米的定義是光在真空中走299792458分之一秒的距離。而一秒的定義由銫原子鐘而來。看在人們基於光速而定義了「一米」的面子上,你告訴我,光速變了?

不妨就拿當前場景作為栗子。不是說α=e2/(4πε??c)變了嗎?那好。既然Nature作者支持光速變了。那我們不妨重新定義一米,硬把一米仍舊定義成光在真空中(以變化之後的光速)走299792458分之一秒的距離。如此,光速值被掰回了原值。一秒的定義不變。其他基本單位定義均不變。

那好。在α相關的這些基本常數里,?和ε?均有關於米。於是,把新的米的單位帶入後,?值變了,ε?值變了。以這些新值偕同新的米單位用於一切物理學中,則顯然可知,這樣的理論和「新光速」下的理論是完全等同的。

因為我們改變本就是人為規定的單位而已。就好比以米或是英尺為單位,這絕不能夠改變物理本身。

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Duff的文章顯然遭到了許多質疑,包括Nature編輯及兩位評審的一致拒稿,連申辯的機會都沒給。在這篇arXiv中,Duff不僅闡述自己的觀點,更貼出編輯回信原文,逐條苦苦相辯,更長期不斷更新,添加入對他人新發表的反對意見的駁斥。筆者真是十分理解+萬分心疼啊!儼然一副我在知乎寫東西之後面對評論區各類民科打嘴仗的升級版架勢,心裡明明想著「你們這群XX!」,卻又不得不提起筆操碎心,苦口婆心,為的是爭取說服讀者,不讓更多的人受到誤導。

然而功夫不負有心人(這句話的靈驗著實是很罕見的),Duff的結論最終受到了廣泛認可[5][6][7]。甚至,Duff竟在去年(2016年,這件事已經過去了14年)偶然得知,一模一樣的觀點曾被Dirac在一次講座中陳述過。早知道該有多好。或許Duff再也不會受到質疑和批評。可如果原因是因為他突然有了狄拉克這樣的神隊友的話,也不知是Duff的幸運還是物理學界的不幸。

Duff的文章[4]及支持他的[5][6][7]都寫的非常好,值得一讀。不過嘛,我們還是一起來拜讀一下狄拉克吧:

最後一句話著實為點睛之筆。筆者似乎聽出了Duff在歷經14年,終於揚眉吐氣打臉Nature評審之後的痛快酣暢。

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References:

[1]Did the speed of light change over the history of the universe? (Intermediate)

[2]Cosmology: Black holes constrain varying constants

[3]Search for Time Variation of the Fine Structure Constant

[4][hep-th/0208093] Comment on time-variation of fundamental constants

[5]Variable speed of light

[6]How will a change in the speed of light affect the evolution of the Universe? (Advanced)

[7]Does the speed of light change in time?


我們知道任何動力系統都可以進行無量綱化,最終決定系統性質的只是剩下的無量綱的參數,實際上決定動力系統的參數沒有那麼多。

在場論研究中,常用自然單位制,令c=1,實際上是將c作為尺度做了不完全的無量綱化(因為能量的量綱還留著),最後剩下諸如精細結構常數之類的參數作理論的參數。這時,討論c的變化的確沒有什麼意義。

當然我們也可以發明一種新的單位制,用另外一些參數進行無量綱化,保留無量綱的光速c,然後我們也可以討論c的變化。不過我們需要明確的是,這裡的c不再是原本意義下的光速,而是它和其他參數之間的相對關係,在這個意義下我們還是可以討論「光速變化」的——但你也可以說它是精細結構常數或者其他常數的變化。


這個問題「非常有意義!因為這是一個沒有意義的問題啊~!」—— @cmy28 。

首先表明觀點,完全贊同@cmy28 中提到的Duff的觀點。Duff的觀點一說出來就是有理有據使人信服的。(實在不知道Nature的大佬們怎麼想的,可能是怕自己被打臉。)

接下來我稍微分析一下這個問題。

首先我想糾正一個文字理解上的誤區。我舉一個例子, @艾伯塔 在回答中談到,難道體重50KG和體重60KG不是變化嗎?這倆不都有量綱嗎?當然,我們需要承認,60KG和50KG相比,有變化,然而,這個變化是怎麼被看出來的呢?是通過比較甲的質量與國際千克原件的質量比60,和乙的質量與國際千克原件的質量比50,而得到的。而質量比,正是我們所看重的無量綱的物理量。注意,這並不是說,有量綱的物理量我們就不管大小了,就沒有討論變不變化的意義,而是說,「單純」地只考慮一個有量綱物理量的變化是沒有意義的。這兩者的區別在哪裡呢?區別在於,在考慮有量綱物理量的變化時,除了要考慮數值上的變化,還要考慮到單位的定義是否變化,如果數值和單位同時發生變化,你就無法簡單的說,這個量變了,因為兩者的作用可能相互抵消。

回到光速變不變的問題。我們假設宇宙中現在的光速能使光在1s內走過10^18個原子A的直徑,然而在遙遠的過去某一時刻,光在1s內只能走過10^15個原子A的直徑。(這裡我們要特別聲明,這裡的1s是按國際單位中銫原子能級躍遷周期定義的。)在這種情況下,是否我們就應該認為,光速變了呢?首先我們確定,一定有東西變了,畢竟10^18和10^15不一樣啊。那麼是什麼變了呢?如果我們維持秒的定義不變,那麼就剩下兩種可能:1.光速變大了;2.原子A直徑變小了。在不考慮其它物理效應的情況下,這兩種描述是等價的,這兩種描述是等價的,這兩種描述是等價的!這一點十分十分十分重要!重要的事說三遍。無論我們採用哪一種解釋,我們都會對相關的物理過程做出相同的預言。(例:無論採取哪種理解,我們都會同意光在過去某長度時間內走過的原子A數是現在走的原子A數的10^-3倍。)就科學而言,如果兩個理論給出完全一樣的預言,而任何兩個理論間的不一致都無法被實驗測量,我們就認為這兩個理論是同一個理論。這意味著,兩種描述都是對的。然而,然而,然而,這兩種描述還是有區別的,這也是為什麼我們應該傾向於選擇理解2而不是理解1的原因。兩者區別在於,理解2和國際單位制中米的定義是compatible的,而理解1不是。因為按照國際單位制對米的定義是由光速來實現的。By definition,1米是光在1/299792458秒中走過的距離,這句話等價於光速是299792458m/s。

最後,如果光速真的「變了」,這裡的「變了」我打上了引號,因為顯然我的觀點是光速不變。我這裡帶引號的「變了」,指的是發生了如同上一段中所提到的類似情況,例如:如果光在未來某一時刻1s能內走過的原子A、B、C……的數目變為了現在能走過的原子A、B、C……的數目的十倍。那麼我們有兩種方法來應對這一類情況:1.維持現有單位制不變,承認宇宙中原子A、B、C……的直徑都縮小到了原來的十分之一。在這種情況下,光速任然不變。2.改變國際單位制,重新定義單位米為N個原子X的直徑。在這種情況下,光速變了。

最後總結:1.在國際單位制不變的前提下,光速不變。2.只有無量綱物理量的變化才有意義,有量綱物理量的變化要根據單位制的定義轉化為無量綱物理量的變化之後才有意義。(如同質量50KG到60KG轉化為質量比50到60。)

希望我的答案能對大家有所幫助。這個問題往小了說只是文字理解的問題,然而往大了說,關係到對物理學做為一門科學的結構的認識。沒有意義的問題,非常有意義。

第一次在知乎寫這麼長的回答,各位看官要是覺得還不錯就點個贊吧。


高贊答主的說法毫無疑問是對的:只有無量綱的參數,討論其數值大小才有意義。那麼我們來看看題主的問題該怎麼問才有意義。

首先,在我們現有的基本理論下,討論真空光速c的變化是沒有意義的。其原因在於c是我們現有的基本理論中能用來作為速度單位的最好的選擇。但我猜題主既然問這個問題,應該是在考慮超越現有的基本理論的前提下來問的。如果我猜錯了,那就當下面的話都是自言自語。

然後我們來看看現有的基本理論。實際上,如果仔細的看,我們理論中的c有兩重含義:

  1. 時空流形切空間度規中的參數,不妨記為c1,它也對應了弱場極限下引力波傳播的速度;
  2. 真空中光子運動的速度,不妨記為c2。

在現有理論中c2/c1=1,但顯然c1是更基本的,它是相對論的基礎,因此應該以c1作為速度的單位。而c2/c1=1這件事情,在現有理論中是一個基於觀測事實的假設;它與假設光子質量為零、假設U(1)規範對稱性等等假設是等價的。

那麼如果題主想問的是在保持相對論的前提下,c2/c1是否會變化,這顯然是一個有意義的問題,它意味著對現有理論的修改。比如有可能在宇宙演化的過程中,由於類似Higgs機制的某種效應導致發生相變,使得光子獲得了非零但很小的質量。這種情況下c2/c1是依賴於參考系(因而不是一個「常數」)且小於1的,但有可能這種依賴性和偏離在現有的實驗精度下看不到。目前實驗給出光子質量的上限大概是十的負二十幾次方電子伏特。

如果題主想問的是c1是否會變化,那麼要讓這個問題有意義,就需要問:是否有比現有理論更基本的理論,其中有更基本的長度單位和時間單位,使得相對論的時空是導出的(從而可以討論其變化)。這個事情應該放在各種emergent space-time的理論或者存在minimal length的量子引力理論中去討論。

最後再強調一下:高贊答主說的都是對的。隊長別開槍是自己人!


你某天早上稱體重是50個單位,晚上稱體重示數是60個單位。於是你輕易地得出結論:勞資一天體重就長了10個單位。不過這裡你的結論是建立在秤的單位不變的情況下的。但以你的手段你是無論如何都沒法判斷到底是你的體重增加還是稱的單位變化了。所以這個時候嚴格地講,你說「我體重增加了」是一個不嚴謹的陳述,因為你無法區分你體重的示數增加的原因,正確的陳述應該是「根據這個秤,我體重增加了」。但這麼說出去大家也會保持懷疑:「你家的秤到底怎樣啊?」,你想辯解,但是你確實又沒有什麼手段研究這個秤到底怎樣。
討論光速變化其實也是同樣的事情。也許你看到了光速數值上的變化,那你怎麼確定這個變化是光本身導致的,還是m/s的改變導致的?其實,由哪個東西導致的,不僅你看不出來,物理學家們也是看不出來的,或者說,我們是無法看出來的(注意看不出來和無法看出來的區別)。對於這種沒辦法看出區別的東西,科學的做法就是:不做區分,認為它們等價。也就是說,所有帶單位的常數發生的「變化」,其實本質上都值得懷疑,但是如果存在這樣一個粒子,它在真空中的速度是c"=1m/s,這時我們定義常數s=c/c",這樣就相當於將兩個自然的事物進行比較。因為s是無量綱的,我們無需擔心量綱變化造成的影響,因而討論這個常數的變化要比討論c的變化更有意義。


我部分同意@cmy28 的說法,但有些不同看法:這個問題並非沒有意義,而是在目前的單位制下無法討論。
舉個通俗的例子:比如我們有一把尺,去年測出光在一秒內恰好走過這把尺的長度,今年我們再做測量,發現光在一秒內走過尺的二分之一長度,我們能不能就下結論說光速變了?不能!因為我們並不知道這把尺的長度有沒有變。那如果我們把尺與其它物體的長度比較就能知道尺的長度是否改變了吧?這樣還是不行,因為其它物體的長度可能也發生了變化:整個宇宙的尺度都發生了變化(所有物體的尺寸都變化了相同的倍數,例如都變為原來的兩倍)。
如果我們設定這把尺的長度是一個長度單位,也就是假定「宇宙的尺度」沒有變化,我們就能夠討論光速的變化了。
如果我們接受目前的長度單位的定義:「米是光在真空中1/299792458秒的時間間隔內所經路程的長度」,光速就是一個固定值,所以無法討論光速有沒有變。
目前我們採用它,是因為光速確實很穩定(沒有出現上面例子中的情況)。但以後光速也會保持穩定嗎?如果它變得不穩定(或者出現其它特殊情況),我們或許要採用一個新的長度單位定義,就可以討論光速有沒有變化了。

所以我認為,cmd28所說的「這個問題沒有意義」不恰當,恰當的說法是「目前我們無法討論它」,但以後是有可能的。
(這裡我只討論了尺度的問題,沒有討論時間的問題,但討論時間的邏輯和討論尺度的邏輯是類似)


不能討論光速的變化的原因不止是它有量綱,否則加速運動難道不是速度變化的運動,速度難道沒量綱?


雖然光速是否變化和光速不變原理字面上是兩回事,但其實正因為光速不變原理,光速是所有速度中特殊的那個,是不隨參考系變化的常數,可以被用來定義不同量綱的關係。正是這個身份使得它的實質變化不能被討論。有這個身份的常數有光速、玻爾茲曼常數、普朗克常數、電子電荷量、阿伏伽德羅常數,改變這些數的值相當於變一個單位制,並不影響物理過程。

手機碼字,以後有空附上使這些量能夠擔起這個身份的公式。這也意味著哪天這些公式失效了,它們就喪失了這層身份,便可以討論它們的變化。


先假定有變化,原來的光速為c0,新的光速為c。
如果c0&>c,那麼c0在新光速下為超光速。根據狹義相對論,超過光速的運動不能傳遞任何信息,那麼:所有以c0運動的電磁信息丟失。
如果c0&所以,假定能量守恆定律和狹義相對論正確,光速在歷史上沒有過變化。

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能量守恆定律在狹義相對論框架中,以質能守恆的方式存在,並且以其連續性暗示了時空的平滑和均勻。質量和能量同樣成為運動的尺度,光速則是這個尺度的標準。這也同時指出:在平滑和均勻的時空進程中,光速是始終不變的;能量守恆定律就是時空的均勻性。
但是這個假定並不排除在某些尺度,出於量子效應可能產生的光速本身的漲落。


宇宙:上次提這個問題的文明,已經被我調整光速給和諧了


我怎麼記得暗能量的一個替代假說就是早期宇宙真空光速與現在不同導致紅移量測量需要修正來著...

當然很可能是我記錯了,歡迎指正。


這是一個好問題。


我曾經買過一本書。講的是vsl(光速可變)理論

作者認為宇宙誕生時的光速要比現在快(注意這與相對論的光速不變並不衝突)。而光速的這個變化解釋了許多問題,比如宇宙同謀問題,比如暴漲(光速變化就不需要暴漲了),比如宇宙的平直性(是這麼說吧?)等。


書里提到有人質疑,光速是有量綱的,事實上長度是由光速來定義的,那麼會不會這個光速可變只是通過調整量綱而得到的文字遊戲呢?我可以通過修改量綱改變光速的數值,怎麼確定這個光速可變是有真實的物理意義的呢?

答案是精細結構常數

作者稱如果作者是對的,那麼光速的變化必然帶來精細結構常數的變化。或這可以說光速的變化其實是精細結構常數的變化引發的表象。


更多的細節我記不清了,不過我想這個應該是題主要的答案。


反對高票答案,這個問題其實不是那麼好回答。從光速數值可以隨單位定義任意指定而否定問題的價值,就陷入了一個誤區,因為題主要問的顯然不是單位變化帶來的改變。

單位變化帶來的數值變化當然不會影響理論。要考察光速的變化引起的效應,必須考察普遍成立的方程,因為方程左右兩端量綱相同,不會受量綱影響。先看任意粒子的能量公式,注意該方程是非線性的,是非線性的,非線性的...的(迴音表示很重要):

E=sqrt{m^2c^4+old p^2c^2}

還需注意該方程成立的前提是任意參考系下光速不變,即對任意 v=A_iv^ifrac{partial c}{partial v}equiv0, 而題主問的是若 frac{partial c}{partial t}
e 0 , 該條件不破壞相對論。若光速變化則恆有

frac {partial E}{partial t}
e 0

即存在一個天然的勢 delta E = int_{t_0}^{t_1} frac {partial E}{partial t}dt ,這個勢究竟是什麼呢?再看另一個方程:


ds^2=dt^2c_0^2a^2_1(t)-a_2^2(t)dl^2

這是FLRW度規的簡化形式,即若光速變化,則等價於在時間和空間度量上同時存在一個膨脹因子,時間上的膨脹因子當然對應著能量(質量)——即天然的存在一個勢給粒子提供不為0的質量(當然它不能為負)——這是一個非常吸引人的結論,在此不細表。不止如此,由於相對論能量與相對論勢(質量)和動量的關係並非線性的,因此增加的勢與增加的動量是不成比例的,即拉氏量會有一個額外的因子 L=L_0eta (t) .

由於我們並不知道決定粒子質量相對數值(如電子與質子質量比值是個無量綱數1/1836.15)的原理是什麼,因此粒子自由拉氏量中增加的新因子 eta(t) 是否是一種新的相互作用,我們無法得出準確的判斷。

一般的,若所有粒子質量相對數值(無量綱的)由相同原理決定則我們可以消去該因子的影響,即不同粒子的質量被等比例的縮放,它們的比值(無量綱數)是不變的,則所有理論不變(高票答案只在這種情況下成立——不同粒子的質量關係是線性的,是線性的,線性的...的)

若電子質子質量源於不同的機制,例如若質子的部分質量源於內部相互作用或相對論效應,那麼光速變化時粒子質量會不等比例的被縮放。我們可以判斷:1、要麼質子質量相對數值不變(無量綱比值),存在新的相互作用。2、要麼質子質量相對數值變化, 有額外輻射。

由於目前來說,我們認為質子的質量一部分源於內部相互作用,而電子無內部結構,且沒有觀測到質子自發輻射額外能量,也沒有觀測到粒子質量比值變化,因此光速應該是不隨時間變化的,即在一個宇宙膨脹的度規中,時間膨脹因子 a_1(t)可消去,不會造成無量綱物理常數的變化。

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光速不變是現代物理學的基礎,現在還不能提出你這種問題。

等到哪天有全新的理論提出來了,或者現有的一些理論有大的進步了,才能搞明白這個問題。


更新:深感絕望

最後說一點,老愛在他的書里寫到過,所有無量綱常數的存在都是不自然的。

什麼叫無量綱常數?,就是一個nonsense的數。我們現有的理論給不出來,只有拿個沒有道理的常數擱這擺著,憑什麼是137,不是138?
愛因斯坦推測在所謂的終極理論里是沒有無量綱常數的,所有物理量之間的關聯都可以用有意義的方式給出來。沒有了還變啥,還有既然如今的理論里定義的常數都變了,明顯理論不對嘛

你在宇宙中找一個黑洞很電子的質量對比,是不是隨時間改變的?那為什麼我們不把黑洞的質量跟電子定義一個無量綱常數?
因為它不是常數啊!??
那為什麼我們說黑洞的質量變了,而電子質量不變。
因為黑洞不是基本量啊!
那假如質子跟電子的質量比變了,在更基礎的理論中質子也不是基本量了
那我們是說質子與電子質量比這個無量綱常數隨時間演化,還是說質子的質量隨時間演化!????
都隨時間變化了還叫什麼常數,我們說一個無量綱常數隨時間變化明顯是沒有更基礎理論替代時的權宜之計。
人家就要提一種基本理論出來,然後說光速改變了,有問題嗎!?????????。。

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一下原答案:

反對@cmy28

語氣沒那麼友好了,


以下摘錄:

「不妨就拿當前場景作為栗子。不是說α=e2/(4πε??c)變了嗎?那好。既然Nature作者支持光速變了。那我們不妨重新定義一米,硬把一米仍舊定義成光在真空中(以變化之後的光速)走299792458分之一秒的距離。如此,光速值被掰回了原值。一秒的定義不變。其他基本單位定義均不變。
那好。在α相關的這些基本常數里,?和ε?均有關於米。於是,把新的米的單位帶入後,?值變了,ε?值變了。以這些新值偕同新的米單位用於一切物理學中,則顯然可知,這樣的理論和「新光速」下的理論是完全等同的。」

最高票答案所舉的例子僅僅論證了這樣一件事:
改變了artificial 的光秒和米之間的單位換算不會改變精細結構常數。

這顯然還不能從邏輯上直接給出有量剛量隨時間變化無意義的結論!

不同的單位定義方式(自然單位,原子單位,國際單位)是為了解決不同的問題,而最高票答案用的例子中,把一米定義成多少光秒只是為了解決人們的習慣問題。
說白了就是一層外殼,我們可以隨時把這層外殼剝掉換成原子單位,並不影響要討論的物理。

(你所舉的例子都集中在這層殼,和這層殼的定義上(國際單位的定義)卻口口聲聲說nature 編輯要被打臉!?)

把殼剝掉,問題變成了:
原子單位下,某個無量綱常數變了,該如何處理。


為何我們要說有量剛量隨時間變化無意義?

如果宇宙中所有的電子質量同時變成原來的兩倍,且質子與電子質量比例不變,那麼對我們而言沒有任何影響(不會產生可觀測效應),所以討論有量剛量隨時間的變化沒有意義。

再比如宇宙里所有東西都放大兩倍你也看不出來

光速同理,如果我們用atomic units
光速的定義就是精細結構常數的倒數,簡單來說就是:
光速定義為氫原子核外基態電子『速度』的137倍,
假設變成200倍了呢?
我們可以說的說光速變了,也可以說是電子速度變了,而電子速度變了可能是由於電荷量變了,可能是電磁耦合常數變了,也可能是普朗克常數變了。
這樣扯皮就更扯不清楚了,畢竟上面說的這些量單獨變化了也沒有觀測效應

我們總是可以把無量綱常數的變化,轉移到有量剛量上,同樣我們也可以把含有量剛量的變化轉移到無量剛常數上。但因為是哪一種有量剛量的變化不好定義,所以我們可以規定有量剛量的變化是無意義的。(這是Dirac的意思)

注意這是認為規定而已,如果我們假定有量剛量變化也只不過得得到了幾個等價的理論描述相同的物理罷了!(這種事情多了去了)

只不過這麼做在電磁框架內改變不了可觀測效應。

[這才是無意義的原因,而高票答主邏輯是是什麼:
因為改變原子單位和國際單位的換算關係不會改變精細結構常數,所以有量剛量都是人為定義的,所以隨時間的演化毫無意義?Excuse me? 不過是證明了一個人為定義的東西(換算關係)是人為定義的而已!]

人家nature 上的文章已經把這個意思說的很清楚了:
「If the attention is restricted to electromagnetic phenomenon, there is no observational diffenence between the theory 」
如果我們只考慮電磁現象,c隨時間演化與e隨時間演化在觀測上不會有不同。

Nature 的文章已經說明了這個問題,就沒有原則上的錯誤!

否則是什麼,為了無意義而無意義?人家已經把無意義的理由說清楚了,你還要怎樣?

的確,在現有的理論框架下,我們只考慮無量綱常數的變化就可以解決所有的觀測問題。

這是有前提的,就是不同有量剛量之間的(rescale symmetry )。但這種對稱性原則上是可以被打破的。

比如電子質子質量之間差了一個無量綱常數,如果這個常數變了,我們不能說是質子質量變了,也不能說是電子質量變了。這樣都沒意義。但如果我們有某種更基礎的理論,可以同時用其它基本量給出質子質量和電子質量,從而不需要這個無量綱常數了,我們就有可能定義出究竟是誰的質量在隨時間演化。

於是nature 這篇文章寫到:
「However, there may be fundamental theory reasons concerned with gravitation to favour varying c over varying e」
但可能存在有關於引力的基礎理論的更傾向於c的演化而非e.

nature 這篇文章如果錯了,也是因為它所聲稱的基礎理論達不到這個效果。而不是最普通的原則性錯誤。

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假設我們生活在一部電影中,當這部電影以正常速度X2快放時,我們會有怎樣的感覺?沒有感覺,因為一切都等比例加速了。
那麼光速變化了嗎?假設光速有變化,我們應該會因為這些變化對其他物質產生的影響而觀測到對應現象,若觀測不到這些現象,假設就沒有任何意義。
不跳出「影片」,不能真正觀察到「變化」,也就就不能去說光速或者其他基本物理參數變了。把5寫做五,它代表的值變化了嗎?


曾經看過一篇科普,說光的速度要是比現在快一點或是慢一點,許多化學元素就不能存在,現有生命就更不可能存在。由此反推來說,光速並不是一個【無法被干預的值】,它完全可以是另一個值,只不過它現在沒有變化的條件,或者變化極慢無法觀測而已。


量綱這種東西純粹是文字遊戲,

『 光速*1秒和氫鍵長度的比值 』無量綱,所以可以討論?

『 光速定義為多少氫鍵長度每秒 』有量綱,所以不能討論?

上面兩者實際上是等價的,所以要麼都能討論,要麼都不能討論。其他答主已經說了,不能討論的原因是光速基礎到沒有其他東西比它更基礎,所以不能討論,等等。 總之和有無量綱沒有關係。

而且所謂『無量綱化』,如果你『化』的不對,就算無量綱也照樣不能討論。比如真空可見光速和紫外線速的比值,顯然無量綱。討論這玩意有意義嗎?

歸根到底沒看出來『量綱』和『能不能討論』有什麼關係。

很多領域的物理量,有一些基本的『無量綱量』,和其他由這些『無量綱量』定義出來的其他有量綱量。這些『基本量』之所以無量綱,只是因為它們更基本,所以選作其他量的基準而已,並不是因為它們天生就無量綱,只要換一套基準,這些『無量綱量』分分鐘變成『有量綱量』。

所以能不能討論只和該量在當前物理系統下是否『基本』有關。

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果然被各路物理大神套路了,某種程度高票答案確實沒錯。只有無量綱的量才可以去衡量是否變化。比如光速和氫鍵長度的比值是否變化。

不過這個有點文字遊戲的意思。『光速和氫鍵長度的比值是否變化』和『以氫鍵長度作為量綱的光速是否變化』("不妨"假設秒無量綱)是一碼事。『光速*1秒比上氫鍵長度』確實是無量綱。但換種說法就可以是『以氫鍵長度為定義的光速是多少多少氫鍵每秒』 。

歸根到底無量綱的比值,換種說法其實也就是有量綱的物理量。 所以也不能說有量綱就完全不能去衡量是否變化。這個問題的本質還是和量綱是沒有關係的。

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反對拿米的定義來否認此題的意義。

測出光速之前的牛頓時代,難道米不存在定義?

米本質不是由光速定義的。現代物理米之所以這麼定義,一個是因為光速比較基本並且穩定,另一個是為了兼容舊有的米的定義。

光速測出之前米的定義是:

1,通過巴黎的經線上從地球赤道到北極點的距離的千萬分之一。

2,鉑銥合金等製作的米原器。

所以米的根本定義和固體中原子分子的組成形式有關。因為只有這樣才符合人類的直觀,碳碳鍵金屬鍵長度之類才是米的根本定義。比如可以定義成若干個鉑原子組成的金屬晶體在某恆定條件下的長度。

將來如果發現光速歷史上從『N倍碳碳鍵長度/秒』變成『1.5N倍碳碳鍵長度/每秒』。不知道會不會對引力等產生影響。假設只考慮光速的話,光速發生這樣的變化人類應該是感覺不到的。但如果這種情況下還堅持用光速來定義米,那麼人類生活中遇到的各種固體的長度都會天翻地覆了。

所以拿米的定義否定這題的意義實在是本末倒置。

再打個比方:為什麼不把一年定義成365*24*3600秒呢?還搞什麼閏年閏秒?有人說這是因為一年並不精確等於這麼多秒。假設現在精確的一年長度是365*24*3600+0.24秒,那麼用這個數值定義一年可以嗎?天體物理學發展之前這樣定義當然沒問題,天體物理學發展之後發現地球環繞太陽的軌道在緩慢變化,上億年後還這麼定義搞不好就要變成一年好幾個春夏秋冬了。

所以『年』的定義本質上和一秒有多長是沒有關係的,而應該和太陽的周期有關。

把『年』定義為一個太陽周期怎麼樣?那麼現在開始論證太陽周期有沒有變化。某些人答曰:『太陽周期沒有變化,因為無論幾億年後,太陽周期都是『一年』,因為年就是用太陽周期定義的。』荒唐嗎?

年是用太陽周期來定義的,所以不能用『年』來論證太陽周期的長短,而要用放射性元素半衰期之類的東西來衡量。所以在米是用光速來定義的前提下,用這樣定義出來的米來分析光速同理也是沒有意義的。

正確的打開方式應該是從光速是否影響引力,影響組成物質的化學鍵長度,是否影響宇宙膨脹還是收縮。應該從這些方面來分析。深入分析本人無能為力,拋磚引玉。


針對一下「談論有量綱的物理學常數是否隨時間發生變化,此問題儼然耍流氓。


這種和稀泥的提法雖然初看起來很有道理,很深刻,其實內在的邏輯是有嚴重問題的

首先我要指出一點(我發現目前為止還沒有人提到這一點):說一個量有沒有變,是要講清楚動力學的。雖然量綱分析很有用,但在這裡不講動力學,指望光靠量綱分析來討論問題,這是魔怔啊。


歸根結底,決定一個量到底變沒變的,不是這個量到底帶沒帶量綱,而是動力學。沒有動力學,你拿什麼來討論量的改變?總不至於是上位世界的某個傢伙突然心血來潮就改了個宇宙參數吧——你還別笑,我看這個題目下面有不少回答都是按這個思路來的。無量綱的物理學常數有它們特殊的地位,前提是它們是常數。你都可以改變了,還談什麼特殊地位,這才是耍流氓吧。


舉個容易理解的例子,某人的身高與真空中的電磁波在銫-133 原子基態兩個超精細能級躍遷對應輻射周期的 9192631770/299792458 倍時間裡行進距離的比值。這玩意兒是個無量綱數對吧?讓我們把它記作 L0。注意:L0 不是身高,而是由身高、光速、銫原子能級這三個有量綱量組合而成的一個無量綱數。

假設某人已經不記得自己小時候的樣子了,在他看來 L0 從來就沒有變過(例如,粗略的測量一直給出 L0≈1.8),所以 L0 在這個某人的物理學裡就是個無量綱物理學常數,和什麼精細結構常數有同樣地位的東西。但從某一天開始他意識到不對勁了,因為更精確的測量發現 L0 的數值在每天的不同時候都會有變化 [1]。那麼問題來了,到底是什麼東西變了呢?

A. 某人的身高

B. 光速

C. 銫-133 原子基態兩個超精細能級之間躍遷對應的輻射周期

D. 以上都有可能,因為 ABC 都是有量綱量,討論有量綱量的變化是沒意義的


按照「討論有量綱量是否隨時間變化都是耍流氓」的邏輯,這題是不是該選 D 啊?你就沒覺得覺得哪裡不太對么?L0 會變說不定是因為光速變了,那地球到太陽之間的距離與「真空中的電磁波在銫-133 原子基態兩個超精細能級躍遷對應輻射周期的 9192631770/299792458 倍時間裡行進的距離」的比值隨著地球的軌道運動也會周期性地改變,那一定也是因為銫原子的能級改變了對不對?——你難道沒覺得你的動力學已經被搞成某種不可名狀的東西了么?跟這個比起來,什麼地心說的本輪均輪那都弱爆了啊,要不要把這種動力學寫下來讓大家瞻仰瞻仰?


回到正題。你是一個受過高等教育的人,你當然知道這個「某人物理學」里的無量綱數 L0 會變是因為他的身高會變。你不會覺得這是因為某個超自然的力量心血來潮要改一下物理學常數,也不會覺得某人早上醒來的時候宇宙中的電磁波在真空里的傳播速度受到他昨晚有沒有睡好覺的影響,你之所以知道這一點不是因為量綱分析,而是因為你知道這個量的改變背後的動力學,你也知道只有這樣我們才能讓各種紛繁複雜的自然現象統一到一個簡單優美的物理學框架底下,而不是變成某種不可名狀的東西。


那精細結構常數呢?如果它會變,那到底是元電荷變了,還是光速變了,抑或是普朗克常量變了?這個問題目前是無法回答的,因為目前我們所知的一切動力學都把它看成一個常數,我們根本沒法正確地描述這玩意兒的變化過程,所以討論很容易就歪到「某天某個物理量突然變了一下,我們能不能搞清楚到底誰變了」這種奇怪的毫無建設性的方向。


那麼問「哪個量改變了」,這個問題還有意義么?當然有意義。它的含義根本就不是「如果某天上位世界的某個傢伙發神經改了我們宇宙的參數,我們怎樣可以魔改我們的量綱定義讓任何一個量看起來是沒變的」,而是在問:如果精細結構常數確實會改變,那麼描述它改變的動力學到底應該是什麼樣的?目前看來地位平等的元電荷、光速、普朗克常量等基本物理量,如果至少有一個是要改變的(否則沒法改變精細結構常數),那麼哪些是更加基本的,哪些是可以變的?根據我們現在所擁有的知識,允許哪個量發生改變有可能可以得到一個看起來靠譜的理論,哪些量如果隨便更改會導致理論變成某種不可名狀的東西?這些討論中的每一個都是有意義的,「光速會不會改變」在這樣的語境下完全是一個可以正常討論的問題。「允許電子電量改變的動力學看起來更容易變成某種不可名狀的東西」,所以「覺得還是光速更有可能是可以變的那個」,這是一個非常正常的論點。如果要反駁這個論點,核心應該是提出電子電量可變的動力學正面抽臉,而不是拿著量綱分析在一邊和稀泥。


[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%BA%E9%A1%9E%E8%BA%AB%E9%AB%98


當然光速是不變的啦 光速是由麥克斯韋方程組, 當然最主要的一點是光速不變是狹義相對論的最基本的假設之一。

下面是維基百科的定義:

It is based on two postulates: (1) that the laws of physics are invariant (i.e. identical) in all inertial systems (non-accelerating frames of reference); and (2) that the speed of light in a vacuum is the same for all observers, regardless of the motion of the light source.

(wikipedia,https://en.wikipedia.org/wiki/Special_relativity,20150930)

它(狹義相對論)建立在兩個基本假定之下:(1)物理定律在任何慣性系裡都是不變的(所謂慣性系指沒有加速度的參考系);(2)真空中的光速對所有觀測者來說都是相同的,與光源的運動無關。

那麼理論上從宇宙創世到現在光速就應該沒有變過啦


是不是可以從真空磁導率和真空電導率入手來研究呢?


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