光速變慢對(duì)我們有影響嗎？“應(yīng)該影響不大吧？畢竟光速那么快，就算它變慢 100 倍（0.01c）我也感覺不到啊！”如果你也是這么想的，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。這期內(nèi)容將告訴你當(dāng)光速變慢后究竟會(huì)發(fā)生什么，后果遠(yuǎn)超你的想象！

先聲明下，我知道很多人會(huì)說：“‘光速不變’是狹義相對(duì)論的根基，它怎么可能變慢呢？”沒錯(cuò)，但這期的重點(diǎn)不在于糾結(jié)“光速不變”到底只是一個(gè)假設(shè)，還是已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的事實(shí)，今天我們單純從物理學(xué)角度出發(fā)，來看看光速的穩(wěn)定到底有多重要，而光速變慢又會(huì)如何影響我們的世界。

眾所周知，除了宇宙膨脹本身外，光速是宇宙中運(yùn)動(dòng)速度和信息傳遞速度的上限。然而光最特殊的地方還不在于它有多快，而是在于它是恒定不變的。注意，“光速不變”并不是說光在任何介質(zhì)中的速度都一樣，而是說光速它相對(duì)任何參照系都一樣。

你知道這有多么反直覺么？比如說，一艘近光速的飛船和一束光同時(shí)出發(fā)，在外界觀察者眼中，雖然飛船和光都是一閃而過，但如果仔細(xì)看的話，兩者差不多是齊頭并進(jìn)的。然而對(duì)飛船中的人來說，這束光在他的眼中依舊是一閃而過。也就是說，不存在靜止的光，真空中的光速永遠(yuǎn)是一個(gè)常數(shù)（c），在任何情況下、不管相對(duì)于誰（哪怕是相對(duì)于運(yùn)動(dòng)的光源本身）光都是每秒 30 萬公里（近似值）。

作為物理學(xué)常數(shù)之一，光速還直接關(guān)系到物理學(xué)中另一個(gè)精妙且神秘的常數(shù) —— 精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)（α）。從它的定義公式可以看出，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是將電動(dòng)力學(xué)中的電荷（e）、電磁學(xué)的真空介電常數(shù)（ε?）、量子力學(xué)中的普朗克常數(shù)（h）以及相對(duì)論中的光速（c）聯(lián)系了起來，它是一個(gè)根據(jù)物理現(xiàn)象“硬湊”出來的無量綱數(shù)，完全沒法從第一原理推導(dǎo)出來。而對(duì)于它的值為什么約等于 1/137，那更是一個(gè)未解之謎。它就像數(shù)學(xué)中的圓周率（π）一樣，在各種物理場(chǎng)景中我們經(jīng)常能看到精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的身影，比如電子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、電子的反常磁矩、電磁力的強(qiáng)弱，甚至于它還決定了各種耦合常數(shù)的大小。

* 科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)（CODATA）推薦值：1/137.035999084 (21)

現(xiàn)實(shí)生活中，除引力外我們接觸最多的、也是最能直接感受到的應(yīng)該要屬電磁力了。把精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)代入庫(kù)倫定律可以發(fā)現(xiàn)：庫(kù)侖力的大小與精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)成正比（F∝α）。而從精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的公式可以看出，它的大小又和光速成反比：光速降到 1%，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)會(huì)變大 100 倍。那這是不是意味著：在其他參數(shù)不變的情況下，光速一旦變慢，電磁力就會(huì)變強(qiáng)呢？別急，再仔細(xì)看下代入后的這個(gè)公式，這里除了有精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)外，還有個(gè)光速。它倆一個(gè)變大、一個(gè)變小，那結(jié)果豈不是不變？似乎哪里有問題。

這次換個(gè)思路，我們知道，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)雖然很快，但它也不能超過光速。比如氫原子的核外電子，它的速度大概是光速的 1/137，沒錯(cuò)，等于光速乘以精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)（v = αc）。按剛才推導(dǎo)，光速變小但精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)變大，結(jié)果就是核外電子的速度保持不變。那么問題就來了：光速變慢但核外電子速度不變的話，那么電子就有了“超光速”的風(fēng)險(xiǎn)。為了維護(hù)最基本的因果律（不超光速），顯然電子的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)該也隨光速變慢。

核外電子運(yùn)動(dòng)變慢，意味著它的動(dòng)量變小了，動(dòng)量變小動(dòng)量不確定性也隨之變小。根據(jù)不確定性原理，粒子的動(dòng)量和位置是一對(duì)不對(duì)易的共軛物理量，當(dāng)電子動(dòng)量不確定性變小時(shí)，它的位置不確定性就會(huì)變大，帶來的結(jié)果就是核外電子的運(yùn)動(dòng)范圍變大了。電子運(yùn)動(dòng)范圍變大，意味著原子的個(gè)頭也跟著相應(yīng)變大了。

具體能變多大呢？我們用氫原子來簡(jiǎn)單算一下。

根據(jù)玻爾半徑公式可以看出，原子的半徑與精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和光速成反比。

光速變小我們知道，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)會(huì)怎么變化呢？或許我們可以結(jié)合真空介電常數(shù)來計(jì)算。由于真空介電常數(shù)和光速的平方成反比，因此當(dāng)光速降低到 1% 時(shí)，真空介電常數(shù)將變大 10000 倍。

代入精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，光速變小到 1% 并且真空介電常數(shù)變大 10000 倍，因?yàn)樗鼈z都在分母，所以最終精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)也會(huì)變小到 1%。

最后代入玻爾半徑公式，光速和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)都變小到 1%，此時(shí)原子半徑將變大 10000 倍。由于體積和半徑的立方成正比，因此原子的個(gè)頭將變大一萬億（10^12）倍，已經(jīng)和塵埃差不多，肉眼可見！

假如原子結(jié)構(gòu)能正常存在，所有由原子構(gòu)成的宏觀物體也會(huì)相應(yīng)變大。此時(shí)每個(gè)人都相當(dāng)于一座巨型山峰，高聳入云。地球的個(gè)頭也將遠(yuǎn)超太陽，可能相當(dāng)于一顆紅超巨星的大小。

然而現(xiàn)實(shí)情況是，這些龐然大物可能根本無法存在。把精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和光速代入剛才的庫(kù)侖力公式，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它倆都變小到 1% 后，電磁力將變小到原來的萬分之一?？蓜e以為這只是讓磁鐵的吸力變?nèi)趿耍?，電磁力可是關(guān)系到世間萬物。別的不說，原子核之所以能束縛住電子組成原子，靠的就是電磁力。甚至于所有的化學(xué)反應(yīng)，本質(zhì)上都是不同原子的核外電子之間的電磁相互作用?？梢哉J(rèn)為，電磁力是原子組成宇宙萬物的基本作用力。

所以，當(dāng)電磁力被削弱到萬分之一后，由于化學(xué)鍵無法維持，分子和晶體結(jié)構(gòu)將徹底瓦解。甚至于原子核將無法再束縛住核外電子，所有的原子將不復(fù)存在。

看到了吧，物理學(xué)大廈往往環(huán)環(huán)相扣，越是底層的基礎(chǔ)對(duì)“上層建筑”的影響越大。像一開始的假設(shè)，僅僅是改變了“光速”這一個(gè)參數(shù)，最終整個(gè)宇宙都將因此天翻地覆。好在現(xiàn)實(shí)世界里光速恒定不變、不多不少恰好是每秒 299792458 米，而這也讓我們產(chǎn)生了一個(gè)疑問：宇宙各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定得如此精妙，到底是宇宙無數(shù)次輪回的巧合，還是某種未知力量的精心策劃呢？

等一下

“光速不變”說到底只是狹義相對(duì)論的一個(gè)假設(shè)，雖然大部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都支持了該假設(shè)，但依然也存在一些例外。

2001 年，一篇發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》上的文章中，澳大利亞的一組研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)類星體光譜的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)在宇宙的歷史上可能發(fā)生過變化 —— 過去比現(xiàn)在要小，該結(jié)果在統(tǒng)計(jì)上的置信度達(dá)到了 4σ，甚至當(dāng)年宇宙微波背景（CMB）的數(shù)據(jù)也在一定程度上印證了該結(jié)果。如果這一切是真的的話，那這意味著光速可能真不是一成不變，它真有可能經(jīng)歷過變慢。

（注：其他類星體光譜以及后續(xù)更精確 CMB 數(shù)據(jù)不支持該結(jié)論?。?/p>

（注：以下觀點(diǎn)并不為目前主流宇宙學(xué)理論接受！）

早在上世紀(jì)三四十年代，狄拉克曾提出過一個(gè)“大數(shù)假說（Dirac Large Numbers Hypothesis, LNH）”。他注意到，宇宙中存在一些無量綱的極大數(shù)，它們之間似乎存在著某種聯(lián)系?；谠撓敕?，他發(fā)現(xiàn)引力常數(shù)與宇宙的年齡成反比（G ∝ 1 / t）；宇宙的質(zhì)量與宇宙年齡的平方成正比（M ∝ t2）…… 似乎這些所謂的物理常數(shù)并不是恒定不變，實(shí)際上它們可能會(huì)隨著時(shí)間變化。還記得之前“宇宙年齡翻倍”那事嗎，那篇論文的作者正是受到了該想法的啟發(fā)。

與之類似，“光速可變”也被一些科學(xué)家提出過。比如加拿大圓周理論物理研究所的約翰?莫法特（John W. Moffat）就曾提出過一種“超光速模型（the superluminary model）”，他認(rèn)為早期宇宙的光速可能比現(xiàn)在要快得多。

當(dāng)初，為了解決大爆炸理論中的視界問題、平坦性問題以及磁單極子這幾個(gè)老大難問題，科學(xué)家曾想過各種各樣的辦法。其中阿蘭?古斯提出的“暴脹理論（Inflation theory）”最為知名，它已經(jīng)成為了解決這些問題的主流理論。古斯認(rèn)為，宇宙在大爆炸初期曾經(jīng)歷過短暫的指數(shù)級(jí)膨脹，該過程如此之快，以至于它直接“抹平”了那些問題。但莫法特認(rèn)為，也許這一切并不是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的宇宙膨脹得超級(jí)快，而是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的光速超級(jí)快。

莫法特認(rèn)為，大爆炸初期宇宙有著極高的環(huán)境溫度，當(dāng)其高于某個(gè)臨界溫度時(shí)，狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)“洛倫茲對(duì)稱性”產(chǎn)生了局部自發(fā)破缺，這將導(dǎo)致光速的急劇增加，甚至達(dá)到目前光速 5 * 10^28 倍！這種“超光速”使宇宙早期不同區(qū)域之間能夠快速交換信息和物質(zhì)，從而解決了視界問題。而“超光速”狀態(tài)也改變了宇宙的動(dòng)力學(xué)，減少了對(duì)初始條件的精細(xì)調(diào)整需求，從而解決了宇宙的平坦性問題。磁單極子問題也是一樣，“超光速”抑制了磁單極子的產(chǎn)生，這就使得它們的密度大大降低，所以今天我們才找不到它們。

當(dāng)宇宙溫度降到臨界值以下后，洛倫茲對(duì)稱性得以恢復(fù)，光速這才降到了如今測(cè)量的這個(gè)值。倘若未來由于某種原因，洛倫茲對(duì)稱性再次破缺且發(fā)生相反相變，前面設(shè)想的那些光速變慢的結(jié)果或許真有成為現(xiàn)實(shí)的那一天。

本文來自微信公眾號(hào)：Linvo 說宇宙（ID：linvo001），作者：Linvo

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