光速不是常數？這個違反愛因斯坦相對論的理論馬上就能經受實驗檢驗了

愛因斯坦理論認為光速是個常數，但有一種理論認為，在宇宙剛剛形成的早期，光速比現在要快得多。倫敦帝國理工學院基於這一光速可變理論提出了一個預言，正等觀測結果驗證。

撰文 Hayley Dunning

編譯 丁家琦

光速不變是愛因斯坦狹義相對論的前提，已經經受了無數實驗事實的檢驗，但也有一些科學家持不同意見，認為光速是可變的——而近期，他們的理論已經提出了可以檢驗的預言，或許馬上就能經受實驗的驗證，或者證偽了。

愛因斯坦認為光速是個恆定不變的常數，這一命題是物理學中多個理論，包括廣義相對論背後的基礎。目前，關於大爆炸後早期宇宙的模型也大多基於光速不變的前提。

圖片來源：Zee Media Bureau/Salome Phelamei

不過，一些研究者一直堅持認為，早期宇宙中的光速可能比現在快得多。現在，該理論的開創者之一，倫敦帝國理工學院教授Jo?o Magueijo與加拿大圓周理論物理研究所的Niayesh Afshordi基於這一理論已經做出了一個預測，可以檢驗它的可靠性。

宇宙的結構（如星系等）都來源於早期宇宙中的漲落——即各個區域的密度差異。這些早期漲落被以「譜指數」（spectral index）的形式記錄在宇宙微波背景輻射（CMB）中， CMB就是宇宙最早的光繪製成的地圖。

如果宇宙早期的光速與現在不一樣，它也會被記錄在這些早期漲落中。Magueijo和Afshordi使用了一個模型，可以得出精確的譜指數，他們將模型和結果發表在了《物理評論D》（Physical Review D）雜誌上。

宇宙學家正在更詳細地解讀這一數字，因此，這一預言可能馬上就能經受檢驗了——不管是證實還是證偽。Magueijo等人預言的譜指數是0.96478，而如今根據宇宙微波背景輻射所估計的譜指數約為0.968（帶有一些誤差範圍），與0.96478較為接近。

激進的理論

Magueijo表示：「我們在20世紀90年代提出的這一理論，如今已經逐漸成熟，能夠產生可以檢驗的預測了。如果在不久的未來觀測證實了我們的預言，這就意味著我們的理論能夠對愛因斯坦的引力理論進行修正。」

「光速可變這一想法在剛提出時可能看起來很激進，但它能提供數值上的預言，從而可供物理學家實實在在地檢驗。如果被證實，它就將證明，大自然的法則並非一成不變。」

與光速可變理論相對的主流理論是暴脹理論（inflation）。暴脹理論認為，早期宇宙經過了一個急劇膨脹的階段，其膨脹速度遠遠超出了如今宇宙的膨脹速度

為什麼要讓光速可變呢？

不管是暴脹理論還是光速可變理論，都需要解決一個被物理學家稱之為「視界問題」（horizon problem）的問題。我們如今所見到的宇宙，似乎在每個地方都差不多是相同的，比如它的密度就是相對均勻的。

這麼均勻的組成，只有在宇宙的各個區域能夠產生互相聯繫時才能達到。然而，如果光速一直都是現在的3×10^8米每秒的話，光就沒有足夠的時間傳遍宇宙的邊邊角角，把能量「平攤」開來。

打個比方，要開暖氣讓整個房間的溫度均勻地升高，從暖氣片處產生的熱空氣就必須到達整個房間並混合均勻。然而，早期膨脹中的可見宇宙就像一個過大的「房間」，等不及讓光（或者說，能量）混合均勻。

而光速可變理論提出，早期宇宙的光速可能比現在快很多，因此在宇宙急劇膨脹的同時可以讓光到達邊邊角角。隨後，隨著宇宙密度逐漸降低，光速也以可預測的方式下降，直到今天。這就是光速可變理論的核心內容。

而暴脹理論則以另外一種方式解決了這一問題。它提出，宇宙在還非常小的時候就已經平攤好了能量，隨後則以非常快的速度急劇膨脹開來，同時保持了均勻性。雖然這保證了光速和其他物理定律的不變性，但它的成立依賴於「暴脹場」（inflation field）的存在。究竟光速可變理論能否挑戰愛因斯坦相對論的光速不變性呢？讓我們靜靜等待觀測結果吧。

暴脹理論。圖片來源：Wikipedia
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