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颠覆教科书理论 物理学家:光速或可变

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【大纪元2013年04月30日讯】(大纪元记者海宁编译报导)教科书上说,光速是常数。但有些科学家正在探索光速可变的可能性。这是宇宙空间真空性质的后果。

生活科学网站(LiveScience)报导,光速的定义对于宇宙学和天文学有广泛的影响。这两门学科皆假定光速不随时间变化。比如,当测量标志电磁力强弱的精细结构常数(α)时,就会用到光速。另外,可变光速也会改变化学键的强度和核物质本身的密度。

可变的光速还意味着对宇宙大小的估计恐怕谬之千里。不幸的是,这并不是说我们能够做超光速飞旅行。因为物理理论如相对论的效果是光速的后果,而不是缘由。

三月份发表在《欧洲物理学期刊D》上的两篇文章试图从空间自身的量子性质推导出光速。两篇文章的机制不同,但是其共同思想是如果改变对基本粒子和辐射相互作用的假设,光速便可能改变。两篇论文都认为空间非空,而是充满了突然间出现而又转瞬即逝的虚粒子的大杂烩。

宇宙真空和光速

第一篇文章的首作者是巴黎第十一大学(Université du Paris-Sud)的乌尔班(Marcel Urban)。该文审视了一直被认为是虚空的宇宙真空。支配亚原子粒子和微观世界的量子物理定律说真空中其实充满了类似夸克(quark)的基本粒子,称为“虚粒子”。这些总是和它们的反粒子如影随形的物质粒子,突然共生然后又立即碰撞。当物质和反物质粒子接触时,会彼此湮灭。

光子在飞跃空间时,会被那些虚粒子捕获和再发射。乌尔班和他的同事提出,虚粒子的能量,特别是它们携带的电荷,能够影响光速。因为一个粒子的能量在捕获光子时是随机的,其对光子的速度影响也应当变化。

因此,光飞跃一段距离的时间应当同随距离的平方根而变化,虽然这种效应极其微小,每平方米真空大概祇有0.05飞秒(一飞秒是一千万亿分之一秒)。20世纪对光速的测量达到了十亿分之一的高精度,所以其变化很小乃意料之中。

乌尔班和同事们说,为了找到这一微小涨落,可以测量光在长距离中的色散。一些天文现象,比如伽马射线爆发,其产生辐射脉冲的距离足够遥远,也许能够检测到光速的变化。他们还提出可以使用激光在相距一百码远的镜子之间多次反射,或许也可检测光速的涨落。

粒子种类和光速

第二篇文章提出了一种不同的机制,但却和第一篇文章殊途同归,得出了光速可变的结论。德国马科斯-普朗克光物理研究所的刘克斯(Gerd Leuchs)和桑切斯-索托(Luis Sánchez-Soto)说宇宙中存在的基本粒子的数量也许决定了光速。根据他们的计算,宇宙中应该有100种左右带电的粒子。现在统领粒子物理的“标准模型”中只有九种:电子、渺子(muon)、陶子(tauon)、六种夸克、光子和W-玻色子(W-boson)。

这些粒子皆带电荷。这些电荷对标准模型很重要。一个称为“阻抗”(impedance)的物理量取决于这些电荷的总合。另一方面,阻抗还依赖于真空的电容率(permittivity)和磁导率(permeability)。二者分别描述真空对电场的阻力和对磁场的透过能力。光由电磁波组成,因此改变电容率和磁导率应当会改变测量到的光速。

桑切斯-索托在一封给生活科学网站的电子邮件中说:“我们计算了由那些稍纵即逝的虚粒子引起的真空电容率和磁导率的变化。结果显示,这样一个简单的模型揭示了两类不同的带电粒子和其反粒子对真空电容率和磁导率的贡献基本相同。这两类粒子是我们已知的粒子和未知的粒子。”

两篇文章都说光能够和虚粒子对发生相互作用。在刘克斯和桑切斯-索托的模型中,真空的阻抗(有可能加快或者减慢光速)取决于粒子的密度并且和光中电场和磁场的比率有关;每一束光都由电场和磁场组成。其测量值和空间的磁导率决定了光速。

但有些科学家对此表示怀疑。斯坦福线性加速器国家实验室(SLAC)的瓦克(Jay Wacker)说他对作者们使用的数学处理有疑虑,并且大多数人不会像他们那样使用数学工具。瓦克说:“正确的方式是使用费曼图(Feynman diagram)。”他表示,光速是个很有趣的问题,但是上述两篇论文中的方法对研究这个问题稍显不足。

另一个问题是,如果真的存在“标准模型”所不包括的其它粒子,该理论需要大修改。但迄今为止其预言都应验了,最著名的例子是希格斯玻色子的发现。这并不意味着不存在其它的粒子;但是如果这些粒子存在,其能量和质量超越我们今天的加速器,它们的效应可以在另外的地方观察到。

(责任编辑:张东光)

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2013-04-30 9:40 AM
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