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鲜闻联播|光速不是常数？这违反爱因斯坦相对论的理论或接受实验检验


爱因斯坦理论认为光速是个常数 ， 但有一种理论认为 ， 在宇宙刚刚形成的早期 ， 光速比现在要快得多 。 伦敦帝国理工学院基于这一光速可变理论提出了一个预言 ， 正等观测结果验证 。
光速不变是爱因斯坦狭义相对论的前提 ， 已经经受了无数实验事实的检验 ， 但也有一些科学家持不同意见 ， 认为光速是可变的——而近期 ， 他们的理论已经提出了可以检验的预言 ， 或许马上就能经受实验的验证 ， 或者证伪了 。
爱因斯坦认为光速是个恒定不变的常数 ， 这一命题是物理学中多个理论 ， 包括广义相对论背后的基础 。 目前 ， 关于大爆炸后早期宇宙的模型也大多基于光速不变的前提 。
鲜闻联播|光速不是常数？这违反爱因斯坦相对论的理论或接受实验检验
本文插图
图片来源：Zee Media Bureau/Salome Phelamei
不过 ， 一些研究者一直坚持认为 ， 早期宇宙中的光速可能比现在快得多 。 现在 ， 该理论的开创者之一 ， 伦敦帝国理工学院教授Jo?o Magueijo与加拿大圆周理论物理研究所的Niayesh Afshordi基于这一理论已经做出了一个预测 ， 可以检验它的可靠性 。
宇宙的结构（如星系等）都来源于早期宇宙中的涨落——即各个区域的密度差异 。 这些早期涨落被以“谱指数”（spectral index）的形式记录在宇宙微波背景辐射（CMB）中 ，CMB就是宇宙最早的光绘制成的地图 。
如果宇宙早期的光速与现在不一样 ， 它也会被记录在这些早期涨落中 。 Magueijo和Afshordi使用了一个模型 ， 可以得出精确的谱指数 ， 他们将模型和结果发表在了《物理评论D》（Physical Review D）杂志上 。
宇宙学家正在更详细地解读这一数字 ， 因此 ， 这一预言可能马上就能经受检验了——不管是证实还是证伪 。 Magueijo等人预言的谱指数是0.96478 ， 而如今根据宇宙微波背景辐射所估计的谱指数约为0.968（带有一些误差范围） ， 与0.96478较为接近 。
激进的理论 Magueijo表示：“我们在20世纪90年代提出的这一理论 ， 如今已经逐渐成熟 ， 能够产生可以检验的预测了 。 如果在不久的未来观测证实了我们的预言 ， 这就意味着我们的理论能够对爱因斯坦的引力理论进行修正 。 ”
“光速可变这一想法在刚提出时可能看起来很激进 ， 但它能提供数值上的预言 ， 从而可供物理学家实实在在地检验 。 如果被证实 ， 它就将证明 ， 大自然的法则并非一成不变 。 ”
与光速可变理论相对的主流理论是暴胀理论（inflation） 。 暴胀理论认为 ， 早期宇宙经过了一个急剧膨胀的阶段 ， 其膨胀速度远远超出了如今宇宙的膨胀速度
为什么要让光速可变呢？ 不管是暴胀理论还是光速可变理论 ， 都需要解决一个被物理学家称之为“视界问题”（horizon problem）的问题 。 我们如今所见到的宇宙 ， 似乎在每个地方都差不多是相同的 ， 比如它的密度就是相对均匀的 。
【鲜闻联播|光速不是常数？这违反爱因斯坦相对论的理论或接受实验检验】这么均匀的组成 ， 只有在宇宙的各个区域能够产生互相联系时才能达到 。 然而 ， 如果光速一直都是现在的3×10^8米每秒的话 ， 光就没有足够的时间传遍宇宙的边边角角 ， 把能量“平摊”开来 。
打个比方 ， 要开暖气让整个房间的温度均匀地升高 ， 从暖气片处产生的热空气就必须到达整个房间并混合均匀 。 然而 ， 早期膨胀中的可见宇宙就像一个过大的“房间” ， 等不及让光（或者说 ， 能量）混合均匀 。
而光速可变理论提出 ， 早期宇宙的光速可能比现在快很多 ， 因此在宇宙急剧膨胀的同时可以让光到达边边角角 。 随后 ， 随着宇宙密度逐渐降低 ， 光速也以可预测的方式下降 ， 直到今天 。 这就是光速可变理论的核心内容 。
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