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科学|光速并非恒定，而是越来越慢？一些宇宙学难题就可以迎刃而解

如果光速是可变的 ， 而且过去比现在更快 ， 那一些宇宙学难题就可以迎刃而解了 。
1905年 ， 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 。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》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 。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） 。
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 。
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 。
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 。
科学|光速并非恒定，而是越来越慢？一些宇宙学难题就可以迎刃而解
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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 。如果光速可变理论得到证实 ， 它将颠覆爱因斯坦狭义相对论的一个主要的公理基础 ， 迫使物理学家重新考虑引力的本性 。
【科学|光速并非恒定，而是越来越慢？一些宇宙学难题就可以迎刃而解】然而Afshordi介绍说 ， 物理学界多多少少都认为爱因斯坦的引力理论不可能包含物理学的全貌 ， 未来必将有一个量子引力理论取代广义相对论 。目前 ， 物理学家已经提出了多种可能的方案 ， 来竞争量子引力理论的宝座 ， 但如果光速可变理论被验证为真 ， 那么量子引力理论的可选范围就将大大缩小 。


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