文章來源：環(huán)球科學ScientificAmerican 微信公眾號

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

光速不變是愛因斯坦狹義相對論的前提，已經(jīng)經(jīng)受了無數(shù)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(jīng)提出了可以檢驗的預言，或許馬上就能經(jīng)受實驗的驗證，或者證偽了。

愛因斯坦認為光速是個恒定不變的常數(shù)，這一命題是物理學中多個理論，包括廣義相對論背后的基礎。目前，關(guān)于大爆炸后早期宇宙的模型也大多基于光速不變的前提。

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(xiàn)在快得多。現(xiàn)在，該理論的開創(chuàng)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基于這一理論已經(jīng)做出了一個預測，可以檢驗它的可靠性。

宇宙的結(jié)構(gòu)（如星系等）都來源于早期宇宙中的漲落——即各個區(qū)域的密度差異。這些早期漲落被以“譜指數(shù)”（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制成的地圖。

如果宇宙早期的光速與現(xiàn)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(shù)，他們將模型和結(jié)果發(fā)表在了《物理評論D》（Physical Review D）雜志上。

宇宙學家正在更詳細地解讀這一數(shù)字，因此，這一預言可能馬上就能經(jīng)受檢驗了——不管是證實還是證偽。Magueijo等人預言的譜指數(shù)是0.96478，而如今根據(jù)宇宙微波背景輻射所估計的譜指數(shù)約為0.968（帶有一些誤差范圍），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(jīng)逐漸成熟，能夠產(chǎn)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?qū)垡蛩固沟囊碚撨M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(shù)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，大自然的法則并非一成不變?！?/span>

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(jīng)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

為什么要讓光速可變呢？

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?nèi)缃袼姷降挠钪?，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。

這么均勻的組成，只有在宇宙的各個區(qū)域能夠產(chǎn)生互相聯(lián)系時才能達到。然而，如果光速一直都是現(xiàn)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(chǎn)生的熱空氣就必須到達整個房間并混合均勻。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(xiàn)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。隨后，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(nèi)容。

暴脹理論。圖片來源：Wikipedia

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(jīng)平攤好了能量，隨后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，但它的成立依賴于“暴脹場”（inflation field）的存在。究竟光速可變理論能否挑戰(zhàn)愛因斯坦相對論的光速不變性呢？讓我們靜靜等待觀測結(jié)果吧。