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光速为什么是30万公里每秒,为什么不能慢一点或者快一点呢?

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光的速度为什么是每秒30万千米(大约)而不是更快一点或慢一点?一种新理论使我们离答案曙光更近了一步。


塞纳河左岸的巴黎天文台,墙上有一块展板,上面说光速是在1676年首次被测得的。其实,这一结果实属无心之得。当时,丹麦人奥拉·罗默是意大利天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼的助手,他想弄清木星的一颗卫星相邻食之间的时间间隔为什么是变化的。罗默和卡西尼讨论认为,光速可能是有限的(在这之前,人们通常认为光的传播是在瞬时完成的)。最后,经过粗略计算,罗默得出结论:光线走过与地球轨道半径等长的距离所需的时间为10分钟或11分钟。

之后,卡西尼又改变了看法。他认为,如果光速有限,光的传播就需要时间,那么在土星的其他卫星上也应该观察到食的推迟现象,但实际上却没有。之后,人们对于光速问题颇有争议,直到1728年英国天文学家詹姆斯·布莱德雷发现了另一种测量光速的方式。以后的很多实验证实,罗默对光速的原始观测数据慢了25 %。今天,我们已经确定光在真空中的传播速度为每秒299792.458千米。


但光速为什么偏偏是这个数据,而不是其他呢?换句话说,光速是如何产生的呢?

150年前的电磁理论给了我们第一个重要的启示。苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦指出,电和磁场的交变产生了一种可以运动的电磁波。麦克斯韦通过方程式计算出电磁波的速度,发现正好等于人们之前已知的光速。这有力地证明了光实际上是一种电磁波,而这一结论也很快得到验证。


1905年,研究有了突破性进展。阿尔伯特·爱因斯坦指出,光在真空中的速度c是宇宙中速度的极限。根据其狭义相对论,宇宙中没有任何物质的传播速度能超过光速。

然而,这两种理论都没有充分解释是什么决定了光速,或者什么可能决定光速。一种新理论认为,c的秘密也许可以从真空的本质中得以发现。

量子论提出之前,电磁学是解释光的完整理论。今天,电磁学仍然非常重要,但产生了一个问题。为了计算真空中的光速,麦克斯韦应用了两个常量的实验测量值,分别称作ε0和μ0,用来定义真空中电和磁场的特性。

问题在于,目前尚不清楚这些数据在真空中意味着什么。虽然电流和磁性实际上是由诸如电子这样的带电基本粒子运动形成的,但现在我们讨论的是真空中的问题。真空中应该不存在任何粒子,不是吗?

这就是量子物理学的切入点。高级版本的量子场论认为,真空并非真“空”,它只是一种“真空状态”,是量子系统能量最低的状态,是量子涨落产生瞬时能量和基本粒子的竞技场所。

什么是量子涨落?根据海森堡的不确定性原理,物理测量中总会有些不确定性。传统物理学认为,我们能够准确测得物体(比如静止的台球)的位置和动量,但这恰恰是不确定性原理否定的。海森堡认为,我们无法同时获得这两个数据,球似乎是轻微抖动的,只是这种抖动太微小,人类的测量器很难显示出来。但在量子真空中,会产生微小的能量爆发或类似的事情,这种爆发以基本粒子的形式突然产生又瞬间消失。


勒克斯对经典电磁学和量子涨落的关系问题非常感兴趣。

这种短暂的现象存在却又像鬼魂一样虚无,但产生的包括电磁在内的影响的确可以被测量到。这是因为量子真空的短暂刺激是以具有相同或相异电荷的粒子和反粒子对出现的,例如,电子和正电子。真空中的电磁场会改变这些粒子和反粒子对,产生电反应,同时由于磁场的影响产生磁场反应。这种现象为我们计算而非仅仅测量真空中的电磁性能提供了一种方法,从而导出光速c。

早在2010年,德国普朗克光学研究所的物理学家歌德·勒克斯及其同事就做了这样一个实验。他们利用量子真空中的虚粒子计算出了电常数ε0。之后,法国巴黎第十一大学的物理学家迈克·厄班及其同事受此启发,根据量子真空中的电磁特性计算出了光速c。2013年,他们宣布利用他们的方法得出的数值准确无误。

这个结果令人满意,但并不那么明确。首先,厄班及其同事不得不做一些没有根据的假设。这需要做全面的分析以及实验,证明光速c确实可以从量子真空中获得。然而,勒克斯告诉我说,他仍然对经典电磁学和量子涨落的关系十分感兴趣,并因此一直在做一个完整量子场论指导下的精密分析。同时,厄班及其同事建议设计新的实验,测试两者之间的关系。因此,光速c最终会有一个更加基本的理论为根据,这个期望是合理的。然而, 问题就会迎刃而解吗?


毫无疑问,光速c只是几个基本常数或普适常数之一。人们认为这些常数适用于整个宇宙,而且恒定不变。比如,万有引力常数G,用以描述整个宇宙的引力强度;在微观尺度上,普朗克常数h确定量子效应的大小;电子电荷e 是电的基本单位。

常数的数值非常精确,例如,h的测量值就精确到了小数点后34位。但这些数字又提出了很多悬而未决的问题:它们真的恒定不变吗?什么情况下它们是“基本”常数?它们为什么会有值?它们会告诉我们什么样的物理事实?

“常数”是否真的恒定不变是一个古老的哲学争议。亚里士多德认为,地球的构成与其他天体不同;哥白尼坚信,我们所在的地球无异于任何其他地方;当今科学遵从现代哥白尼学说,假设物理学定律适用于时空中的任何地方。但假设就是假设,它需要验证(特别是G 和c 这样的常数),以确保我们没有误解遥远的宇宙。


诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克提出G可能随着时间而变化。1937年,对宇宙哲学的思考令他认为G每年减少10-10。这对吗?也许不对。对天体的重力观测没有发现G的下降,而且迄今也没有迹象表明G在空间中会发生变化,它的测量值准确地描绘了太阳系行星的轨迹和航天器的运行轨道。除此之外,还有遥远的宇宙发生的其他事情。射电天文学家最近证实,G能准确描述3750光年外脉冲星(超新星快速旋转的残留物)的发展状况。同样,也没有任何可信的证据证明c在时间或空间中是变化的。

因此,我们假设这些常数真的恒定不变。那它们是基本常数吗?与其他常数相比,它们更“基本”吗?这里的“基本”指什么?解答这个问题的一个办法,就是找到谁是得出其他常数的最小常量集。在这里,有用的选择只有h、c和G,共同代表了相对论和量子理论。

只有无量纲常数才是真正“基本”的数,因为它们独立于任何的测量体系。


1899年,量子物理学的奠基人马克斯·普朗克检验了h、c、G和物理现实三个维度之间的关系问题,每个被检验的物理量都用数值和维度共同描述。从这些关系中,普朗克导出了他的自然单位,得出普朗克单位下h、c和G的不同组合,我们能够更深入地了解量子重力和早期的宇宙。

有些常数没有维度量,通常被称作无量纲常数。它们都是单纯的数,比如,质子质量与电子质量的比值——1836.2。伦敦帝国理工学院的物理学家迈克尔·黛夫认为,只有无量纲常数才是真正基本的常数,因为它们独立于任何测量体系;量纲常数则“只是人们的构想,它的数和值会因为单位的不同而不同”。


或许最有趣的无量纲常数是精细结构常数α。精细结构常数是1916年确定的,当时科学家用量子理论与相对论来解释氢原子光谱中的精细结构。根据这一理论,精细结构常数α表示围绕氢核运动的电子的速度和光速的比值。

今天,在量子电动力学(关于光和物质相互作用的理论)中,α是作用于电子上的电磁力强度,起着重要的作用。电磁力、引力、强核力和弱核力诠释了宇宙的工作机制。但到目前为止,仍然没有人能够解释α这个常数值,因为它既没有明显的前因作为参考,也缺乏有意义的关系线索。正如诺贝尔奖获得者物理学家理查德·费因曼所说:“这个数字自发现以来一直是个谜……它是物理学中的一个谜:一个魔数来到我们身边,可是没人能理解它。你也许会说是‘上帝之手’写下了这个数字,而‘我们不知道他是怎样下的笔’。”


不管它是出自“上帝之手”,还是来自一些形成常数的真正基础的物理变化过程,它身上明显的随意性让物理学家抓狂。为什么是这些数?难道就没有发生过变化?

一个解决这种令人烦恼的意外的办法就是直面问题。这让我们想起了人择原理。人择原理是一种哲学观点,认为人类在自然界观察到的一切是人类存在的缘故。简言之,我们之所以发现这样的常数,是因为如果它们非常不同,我们就不会发现。α值的一点细微变化都将改变宇宙。例如,如果恒星演化过程中没有产生碳,那么碳基生命便不可能存在。人们就是基于这样的考虑将α值限定为1/170至1/80,因为如果超出这个数值范围,我们将不复存在。

但这些争议并不排除存在常数值不同的其他宇宙空间的可能性。尽管那些宇宙空间也许并不适合人类居住,但想象一下我们能够看到些什么,也是值得的。

令人称奇的是,我们的这些宇宙定律都是紧密相关的。

比如,如果光速c再快点呢?对我们来说,光的传播速度非常快,没有什么能超越光速。但是光在远程传播中总能造成巨大的时间差。太空那么大,星光在到达我们之前也许已跋涉了亿万年。人类航天器的速度比光速要慢得多,这意味着我们永远无法将宇航员送到这些星球上去。不过往好处想,时距让望远镜变成了时光机,我们可以通过望远镜遥望亿万年前的星系。

假如光速c再快10倍,很多事情都会改变。地球上的通信问题将有所改善;远程无线电信号的时距会减少;美国航空航天局可以更好地遥控无人飞船和星际探测器。但另一方面,加快的光速会扰乱我们回看宇宙历史的能力。

那么假想一下时光放缓。我们可以看着它慵懒地从灯盏中悄然而出,慢慢地洒满整个房间。尽管这对我们的日常生活没有太大的用处,但有一个好处是,望远镜可以将我们带回宇宙大爆炸时期。(某种程度上,慢光已经在实验室里成功实现。1999年,研究人员将激光的速度降到了自行车的速度。之后,通过让光穿过超冷原子气体,一度将光速逼停。)

这么想想也很有趣。或许在不远的宇宙中,这些假想状况就真实地存在着。但是有一点令人称奇,那就是我们的这些宇宙定律都是紧密相关的。勒克斯指出,将光速c与量子真空结合研究,会明显地发现量子涨落“巧妙地嵌在”经典电磁学中,尽管电磁理论的提出比量子领域的发现早35年。这种关联也恰好是量子效应影响整个宇宙的一个绝好实例。

如果存在多个宇宙,应用不同的常数值,根据不同的宇宙定律层层展开,人择原理或许足以解释我们眼中的宇宙的种种特性。某种意义上,这可能仅仅是一种运气。但我不能确定,凭此是否就能成功地揭开事物的面纱。


也许多元宇宙的不同部分必须遵从它们自己的规律,以特殊的方式互相关联;反过来,也可以想象一下那些宇宙互相关联的种种不同方式。为什么多元宇宙是这样的而不是那样的?要想让聪明的人类习惯事物的任意性似乎不太可能。 我们又走近了那个关于“存在”和“虚无”的古老的哲学谜题,这个谜题目前也许没有任何智慧之光可以参透。

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