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为什么光会这么快? 光速由什么决定?
时间:2016-09-30 14:44   来源:《大科技》杂志   责任编辑:沫朵

川北在线核心提示:原标题:为什么光会这么快? 光速由什么决定? 光速研究史 如果你去参观位于法国塞纳河左岸的巴黎天文台,你会看见那里的墙上有个牌子,上面写着1676年光速第一次在这里得到测量。不过,这却是一次意外的发现。那时,巴黎天文台的主管是 的天文学家乔凡尼卡西尼,他


  原标题:为什么光会这么快? 光速由什么决定?
 
  光速研究史
 
  如果你去参观位于法国塞纳河左岸的巴黎天文台,你会看见那里的墙上有个牌子,上面写着1676年光速第一次在这里得到测量。不过,这却是一次意外的发现。那时,巴黎天文台的主管是 的天文学家乔凡尼·卡西尼,他的一位助理、丹麦人奥勒·罗默在试着搞清楚木卫一掩星(木卫一跑到木星阴影里的现象)发生的时间为什么比理论计算的有延迟。罗默与卡西尼讨论后,认为可能的原因是光速是有限的(之前通常认为光速是无穷大的),使我们观察有延迟。罗默还粗略地计算出,光要是通过地球公转轨道半径这样长的距离,得需要10或11分钟。
 
  不过,卡西尼认为如果原因真的是光速是有限的,那么同样的延迟现象应该也会出现在木星其他的卫星上,但事实上却没有。所以,争议就随之而来了。直到1728年,英国天文学家詹姆斯·布拉德雷用其他的办法测量了光速。布拉德雷以及许多后续的实验已证实,罗默估计出来的光速比实际的低了约25%。现在,我们已经知道光在真空中的速度为299792458米/秒,而且这是一个 值,因为米的定义就是基于光速的。
 
  为什么光会这么快?为什么不更快一些,或更慢一些?换句话说,光速由什么决定?
 
  19世纪60年代,英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦发现,当电场和磁场一起改变时,它们的相互作用会产生电磁波。麦克斯韦计算了一下电磁波的速度,发现它正好等于光速,这强烈地暗示光就是一种电磁波,而这种观点随后就被实验所证实。之后,另一项突破则发生在1905年。那时,阿尔伯特·爱因斯坦提出光速是宇宙中速度的上限。根据他提出的狭义相对论,一个物体不可能加速到超过光速。因此,麦克斯韦和爱因斯坦告诉我们,光速实际上与许多其他的事情息息相关。
 
  但是,上面这些理论都无法解释什么决定了光速。最近,一些物理学家认为,光速的秘密可能与真空本身相关。
 

 
  量子涨落决定光速
 
  量子理论出现之前,描述光的最完整的理论就是麦克斯韦的电磁理论。即使在现在,电磁理论对我们来说仍非常重要,但它产生了一个问题。为了计算出真空中的光速,麦克斯韦需要使用两个关于真空电磁性质的常数,分别称之为真空介电常数和真空磁导率。它们具体为多少,需要通过实际测量来得到。
 
  但问题是,这些常数究竟代表着什么呢?毕竟,电和磁是由电子等带电的基本粒子产生的。但是,如果我们谈论的是真空,里面什么也没有,那么不是应该没有任何粒子吗?
 
  此时,我们得用量子理论来解释了。在量子场理论(一种高级版本的量子理论)中,真空不是真的空,而是一种状态,是一个量子系统能量达到 的状态。它其实是一个很喧闹的舞台,量子涨落会产生稍纵即逝的虚粒子。
 
  那什么是量子涨落呢?根据海森堡的不确定性原理,在物理测量中总是存在不确定性。经典物理学中,我们能同时 地知道位置和动量,例如台球桌上的一个静止的台球。但是,量子理论却不这么认为。根据不确定性原理,我们总是不能同时 地知道位置和动量,就好像台球始终有着微弱的抖动。不过这种抖动太微弱了,我们人类无法直接感觉。但是在真空中,这些抖动会使得能量(或同等的质量)发生涨落,会不断地产生稍纵即逝的虚粒子。
 
  这些虚粒子如同幽灵一般稍纵即逝,但是它们却能产生可观测的影响,其中就包括电磁的影响。电场或磁场作用到它们身上,会产生相应的电磁反应。这种现象使得物理学家可以测量到真空的电磁性质,进而能算出光速的大小。
 
  2013年,法国巴黎第十一大学的马塞尔·厄班和他的同事利用量子涨落,正确地计算出了光速的数值。他们发现,真空中虚粒子的密度决定着真空介电常数和真空磁导率的大小,进而决定着光速的大小。
 
  这个结果看起来很令人满意,但这并不能完全解开光速之谜。如果继续问下去,仍有许多问题。例如,真空中虚粒子的密度决定着光速的话,那么虚粒子的密度又是由谁决定的?它会发生改变吗?
 
  真的是常数?
 
  所以问题依旧悬而未决。而且,并不只是光速有这样的问题。我们知道,光速只不过是许多基本物理常数中的一个。其他的基本物理常数还有万有引力常数(表示引力强度的常数)、普朗克常数(表示量子效应有多大的常数)、基本电荷(一个电子或一个质子所带的电量)等等。这些基本物理常数被认为适用于整个宇宙,并且不随时间发生改变。果真如此吗?
 
  基本物理常数是否始终不变,其实是一个古老的哲学争论。亚里士多德曾认为,地球的构造与上天的构造是完全不同的,那么基本物理常数也会因此而不同。而哥白尼却认为,我们这里其实与宇宙其他任何部分都是一样的。在今天,科学家们都采用的是现代版的哥白尼观点,认为物理定律在时空的任何地方都是完全一样的,但这仍只是假设。
 
  因此,20世纪英国理论物理学家、量子力学的奠基者之一保罗·狄拉克就曾质疑过万有引力常数。1937年,根据相关的宇宙学观测,狄拉克猜测万有引力常数可能每年大约会减少100亿分之一。不过,之后的天文观测表明并不存在这种减少,而且也没有任何迹象表明万有引力常数随着空间的不同而不同。而且,利用在地球上的万有引力常数测量值,我们可以准确地描述整个太阳系行星和航天器运行的轨道,以及宇宙深处的天文学事件。
 
  同样,目前没有任何证据表明,光速会随着时间或空间的不同而发生变化。
 
  谁是“基本”的常数?
 
  所以,让我们假设这些常数是真正的常数。那么它们是基本的吗?有没有哪些比另一些更为基本?尽管有多种提议,物理学家通常认为普朗克常数、光速和万有引力常数是最为基本的。不过,并不是所有人都认同这个观点。
 
  我们知道每一个测量出的物理量都是由数值和单位构成的。我们不会说光速约为300000,而是300000千米/秒,或186000英里/秒,或0.984英尺/纳秒。虽然前面这些数字和单位都是不一样的,但是它们的“量纲”(物理量的属性)却是相同的,都是长度除以时间。同样,万有引力常数和普朗克常数也有自己的量纲,分别是[长度3/(质量×时间2)]和[质量×长度2/时间]。
 
  但是一些常量却不具有任何量纲。这些常数就是所谓的无量纲常数,它们就是纯数字,在各种单位制下都是一样的。例如,质子与电子的质量之比就是无量纲常数,约为1836.2,后面不需要加任何物理单位。伦敦大学帝国理工学院的物理学家迈克尔·达夫认为,只有无量纲常数才是“基本”的,因为它们是独立于任何的单位制。他认为,有量纲常数仅仅是人类构造出来的,因为其数量在不同单位制会有所不同。
 
  人择原理
 
  也许最有趣的无量纲常量就是精细结构常数。1916年,物理学家利用量子理论解释氢原子光谱线的精细结构(指的光谱线靠得比较近)时,首次引用了它。物理学家发现,精细结构常数相当于电子绕着氢核的速度除以光速,其数值约为0.0072973525698,与1/137几乎相等。
 
  今天,在量子电动力学(光与物质相互作用的理论)中,精细结构常数则被认为是电磁力作用到一个电子上的强度。这一下使得它变得很重要了起来,毕竟电磁力与引力、强核力和弱核力一起决定了宇宙是如何运行的。但是,还没有人解释精细结构常数这个数值是怎么来的,它与哪些基础理论有联系。所以,美国物理学家理查德·费曼曾写道,“所有 的理论物理学家都将这个数贴在墙上,为它大伤脑筋……它是物理学中最大的谜之一,一个该死的谜:一个魔数来到我们身边,可是没人能理解它。你也许会说‘上帝之手’写下了这个数字,而‘我们不知道他是怎样下的笔’”。
 
  无论是“上帝之手”还是一些真正的基本物理过程产生了这个常数,一个令物理学家不安的假设是,精细结构常数可能是一个随机的结果。果真如此吗?那么为什么会是这个数字呢?
 
  这个问题常用的办法是采用人择原理来回答。人择原理是一种哲学思想,认为我们所观察到的宇宙必然具有能允许我们存在于这里并能观测宇宙的生存条件。精细结构常数稍微不同,就可能改变整个宇宙的样子,例如使得恒星燃烧的过程中无法产生碳,这样的话,以碳为基础的生命将不复存在。简而言之,我们之所以会发现精细结构常数以及其他的常数会是这个数值,是因为如果它们不是这个数值,我们就不会存在了。根据量子电动力学,物理学家发现,精细结构常数必须处在1/170和1/80之间,因为超出这个范围,我们同样也就不会存在了。
 
  人择原理看似很好的解释了基本物理常数之谜,但也有许多物理学家把人择原理看作一种狡辩而已,并认为问题并没有真正得到解决。也许,光速等基本物理常数之谜将长时间困扰着我们。

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