相對論面臨重大挑戰？以前的光速快多啦

光速怎麼了

1905 年，26 歲的阿爾伯特·愛因斯坦提出狹義相對論，永遠地改變了整個物理學。這個理論描繪了時間和空間的關係，它的成立建立在兩個最基本的假定上：同一套物理法則適用於所有的非加速觀測者；真空中的光的速度永遠不變。

幾乎一個世紀，愛因斯坦無論是狹義相對論還是廣義相對論都經受住了無數實驗驗證，並且用來解釋一系列物理過程，甚至包括宇宙的起源。然而從上世紀 90 年代末開始，許多物理學家開始挑戰狹義相對論。他們要做的，就是拆毀其兩大支柱的其中之一 —— 光速並非不變，它過去比現在更快。

儘管這樣的理論至今仍然飽受爭議，但就在不久前一篇新的科學論文發表，稱相關的實驗可以在不遠的未來進行。如果這樣的理論被實驗證實，那麼這將表明適用於我們今天的物理法則或許並不適用於過去。愛因斯坦關於重力的理論將要被重新改寫。

倫敦大學帝國理工學院的宇宙學家若奧·馬奎荷（Joao Magueijo）說：「現在的整個物理學都在斷言光速不變，所以我們需要想想怎麼改變光速，還不會把根基全都打垮。」

那麼現在這些科學家們紛紛和光速過不去，他們的根據在哪？一切，還得從著名的「視界問題」說起。

視界問題

讓我們假設光的速度確實是恆定不變的，那麼從宇宙大爆炸開始，它就已經「飛行」了 137 億光年，因為宇宙也是這個歲數。那麼，光所走過的總距離也就形成了我們可見的宇宙的「視界」—— 大概是 470 億光年，這還要算上宇宙自身的膨脹。

好了，那麼我們首先想像自己就呆在直徑為 470 億光年的宇宙球中間。球體的的邊緣就是視界，也可以被認為是宇宙微波背景（CMB）。宇宙微波背景是大爆炸事件的殘留，產生於大爆炸之後不到 40 萬年里。可以說，宇宙微波背景是我們對原始宇宙的一瞥。無論你在宇宙何處，觀測到的宇宙微波背景都是 137 億光年外射出的。

於是問題來了：從宇宙微波背景到宇宙的任何點上都是 137 億光年的距離，那麼從這個點上兩端的總距離加起來就是 274 億光年。換句話說，如果考慮到光和微波具有必要的同質性，那麼這個宇宙就實在是太大了。宇宙學家們無論如何觀測，宇宙微波背景的溫度都是大概 -270 攝氏度。但如果光這個宇宙中最快的存在無法從宇宙的這頭到另一頭，那麼宇宙微波背景的特性就絕不可能有如此統一。

如果覺得有些難理解，我們可以想像一個浴缸，它的兩頭都各自有一個水龍頭，一個放冷水，另一個放熱水。如果你同時關閉水龍頭，那麼浴缸里的水在冷熱混合後最終肯定會到達一個統一的溫度。但如果在放水的過程中，浴缸以極快的速度向各個方向擴大，快到冷水和熱水無法接觸，那麼浴缸內的水溫就不可能是統一的。

關於這個矛盾，一個被廣泛接受的解釋是，我們今天觀測到的如此統一的宇宙微波背景是發生在宇宙仍然很小、很緻密的時候。用剛才打的比方，那就是早在浴缸開始瘋狂變大之前，裡頭的水溫就已經達到溫度統一了。但這樣的解釋雖然維護了光速不變，卻多了一個叫「膨脹場」的東西要證明 —— 理論上這種東西只存在於宇宙早期的一個很短暫的時期內。

光能有多快？

如果採用光速可變的理論，那麼解釋這些矛盾就不再需要求助於虛無縹緲的「膨脹場」。如果過去的光比現在的光要快得多，那麼宇宙的兩端也不再是像現在這樣孤立，而宇宙微波背景那奇妙的特性統一也就有了解釋。

那麼光速究竟能有多快？提出質疑的科學家們給不出一個確切的答案，只說是「無限快」。如今的光速是每秒 30 萬公里，而科學家則表示光速曾經是這個速度的 32 個數量級 —— 這還是它比較慢的時候。時間越接近宇宙誕生之初，光的速度就越接近無限大。

要達到這個程度，科學家假設早期的宇宙至少有 10 的 28 次方攝氏度。隨著宇宙逐漸擴張冷卻，光也就開始發生相移，速度逐漸下降 —— 從某種程度上有點像水結冰 —— 直至今天我們熟悉的光速。科學家打比方說，這個速度不會再往下降了，就好比已經結成的冰遇到更冷的溫度不會「更冰」。

如何證明？

那麼說到關鍵的部分了：如果光速可變才是正確的，那麼如何去用實驗來證明？馬奎荷表示，如果他們提出的觀點是正確的，那麼光的速度衰減一定是可預測的。只要有足夠敏感的儀器，就可以做到測量。

包括星系在內的宇宙中的所有結構，都是早期宇宙密度波動的結果。這些波動都被記錄在了宇宙微波背景里，形成早期宇宙的「圖像」，也被稱為頻譜指數。持光速可變論的科學家們根據模型得出的頻譜指數數值為 0.96478。現在，就等待更加精確的儀器去測量，並得出結果了。我們不需要等太久。

話說回來，如果光速可變真的被證實，愛因斯坦的理論崩塌，這會引起物理學界的天崩地裂嗎？倒也不一定。如今的學術界早已得出共識，即愛因斯坦的相對論不足以描繪出整幅圖景。正因為如此，現在才有各種不同的量子引力理論試圖取而代之。如果光速可變論真的被實驗證明正確，那麼這將會更方便人們選出哪一個量子引力理論更合理。