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你相信吗?光速并非恒定而是越来越慢?或突破相对论

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求是 发表于 2018-1-20 10:39 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 广东省广州市 移动

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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。

 楼主| 求是 发表于 2018-1-20 10:41 | 显示全部楼层 来自: 江苏省苏州市 电信
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。
问题在于,宇宙中的任何一点到微波背景辐射发出的地点,距离都是137亿光年,那么宇宙视界两端的微波背景辐射之间的距离就大约是274亿光年。这也就意味着宇宙太大,在宇宙寿命范围内,光不可能从一端穿行到另一端。然而,这又与我们观测到的微波背景辐射的均一性相矛盾。
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 楼主| 求是 发表于 2018-1-21 10:29 | 显示全部楼层 来自: 江苏省苏州市 电信
宇宙学家观测到,宇宙微波背景辐射极其均匀。天空任何一个方向的微波背景辐射的温度都是大约-270℃,相对涨落只有十万分之一。然而,如果宇宙中运动最快的光,穷尽宇宙之寿命都不能从宇宙一端穿行到另一端,那么我们就不可能观察到如此均一的微波背景辐射。
要理解其中的道理,我们可以用浴盆来类比宇宙。浴盆两端各有一个水龙头,其中一个在放冷水,另一个在放热水。如果把两个水龙头关闭,那么冷水与热水混合,最终浴盆中的水会达到均匀一致的温度。但是,如果在进水的同时,浴盆的各个方向又在不断向外快速延伸,以至于冷水和热水永远无法相遇,那么浴盆一端就永远是冷水,另一端永远是热水,无法达到同样的温度。
宇宙大爆炸的过程,就类似于向外延伸的浴盆,但能够反映宇宙早期温度的微波背景辐射却没有冷热起伏,反而十分均匀,这是怎么回事呢?
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 楼主| 求是 发表于 2018-1-21 10:35 | 显示全部楼层 来自: 江苏省苏州市 电信
目前,在尝试解决“视界问题”的所有假说中,暴胀理论(inflation theory)呼声最高。暴胀理论认为,宇宙微波背景辐射之所以如此均匀,是因为宇宙在小而致密的阶段就已经达到了均一状态,然后在暴胀过程中继续保持均一。这就相当于,浴盆中的水先混合达到了均匀的温度,然后才开始快速向外延伸。
尽管暴胀理论能够兼容光速的不变性,但它要求存在一个“暴胀场”,并且这个场只在早期宇宙的一段短暂的时间内存在。
然而,光速可变理论的支持者称,如果早期宇宙中的光速远高于当今宇宙,则无需借助暴胀,就能解决视界问题。如此一来,宇宙相距甚远的两端能够在宇宙膨胀的过程中保持“连通”,从而导致宇宙各处的微波背景辐射均匀一致。
然而,对于支持暴胀宇宙模型的理论物理学家来说,允许光速发生变化,就如同颠倒狭义相对论中的一个正负号。
“多数情况下,这种颠倒符号的事情,会导致一些灾难性的后果,因为改变后的理论可能无法在物理上自洽。”剑桥大学理论宇宙学中心的高级研究人员David Marsh说道,他没有参与该论文的工作。“Magueijo等人提到了一些随之而来的挑战,但要想构建真正健全的理论模型,还有许多工作要做。如果光速可变理论真的能够站住脚,那么它不仅仅会影响宇宙学,还会对整个物理学产生许多深远的影响。”
那么,在宇宙大爆炸刚刚发生不久时,光速究竟比现在快多少呢?Magueijo和他的同事、滑铁卢大学物理学与天文学助理教授Niayesh Afshordi给出的答案是:快无限多倍。
两位物理学家指出,早期宇宙中的光速至少比现在30万千米/秒的光速快32个数量级,而这只是一个下限值。随着时间趋近于宇宙大爆炸的时刻,光速也将趋向于无穷大。
按照光速可变的观点来看,光速偏快是因为早期宇宙温度极高。Afshordi指出,他们的理论要求早期宇宙是一个温度至少达1028摄氏度的火炉。相比之下,人类在地球上所能获得的最高温度只有1016摄氏度,与早期宇宙相差12个数量级之多。
随着宇宙膨胀,其温度降低到1028摄氏度以下。就如同液态水温度降低到一定程度以后会结冰一样,光在此经历了一次相变,光速变成当前的30万千米/秒。冰不会因温度更低而更坚硬,光速也不会因温度更低而变得更慢,于是从那以后光就保持在这个值而不再变化。
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