英国学者研究结果表明，宇宙形成之初光速可能更快

^{上周以来，一条简明扼要的科学新闻引起了国内外各大媒体的关注，很多媒体纷纷以“远古光速更快？剑桥科学家挑战爱因斯坦”或“科学家质疑基本自然定律”为题做了报道。剑桥大学迈克尔·墨菲等学者的这项研究再次将我们的目光引向了一些最基本的问题：光速是恒定的吗？我们理解的基本常数是稳定不变的吗？}

^{在普通人看来，光速不变理论有很多难以理解之处。以这幅示意图为例，不论前面的车速比后面的快多少，从前车驾驶员看来，后车前灯发出的光的速度并不会有丝毫减慢。}

　　光速不变理论是现代物理基石

　　爱因斯坦钦定的光速不变原理的重要性要从“标准模型”理论说起。

　　虽然自20世纪70年代诞生之日起每隔一段时间都会受到质疑，但今天，“标准模型”理论（standard model）已经成功地成为了物理学界的主流理论。通俗地说，“标准模型”是解释世界是由什么物质组成，以及它们是如何凝聚在一起的。“标准模型”理论是科学界目前最完美的理论之一，实验已经证实了它难以置信的精确：该理论预测的所有粒子都已经被发现，四种基本作用力（自然界有四种基本作用力，分别是强力、弱力、引力以及电磁作用力）中的强、弱、电磁三种力已经被统一到该理论下，利用“标准模型”建立科学家们梦寐以求的大一统理论似乎并不遥远。

　　“标准模型”理论建立在规范场论基础上，而规范场论则是建立在狭义相对论基础之上。爱因斯坦提出狭义相对论的一个重要前提是光速不变原理：光传播速度（后文以c代替）在任何参照系中保持不变。这一假设最难以理解的地方是，举个例子，在一辆以每秒30米高速行驶的汽车上射出的灯光，从路旁静止的观察者看来，速度依然是每秒299792458米，而不会是每秒299792488米。这一点后来经由著名的“麦克尔逊—莫雷”实验证明。从此，以相对论为代表的现代物理时代开始了。

　　光速不变原理既然如此重要，那么任何对于它的质疑———哪怕是潜在的质疑，虽然至今没有成功的例子———都称得上是牵一发而动全身。但事实上，剑桥大学墨菲等人的研究并非一开始就冲着质疑光速不变原理而来，甚至可以说，他们的研究有更终极的目标：他们希望知道物理学中的常数是否真的如我们所认为的那样保持恒定。

　　把质疑矛头指向基本常数

　　迈克尔·墨菲是剑桥大学天体物理研究所一名年轻的博士后研究员，在澳大利亚新南威尔士大学攻读博士学位期间，他就已着手研究物理学中的常数问题。五年来，墨菲与来自澳大利亚新南威尔士大学、美国宾夕法尼亚大学、加州大学的研究小组的其他成员一直在这个方向上工作，积累了大量数据，并以惊人的频率在《物理通报》等权威杂志上发表了大量论文。

　　墨菲等人的工作是关于基本常数是否可能变化。我们知道，当我们在科学中涉及定量问题时，我们必须依赖一套常数。但其中一些常数之所以比别的更“基本”，是因为我们不能借助现有理论去计算它们。因此基本常数的精确测定便成了物理学中最重要的工作之一。我们所常用的基本常数包括万有引力常数、真空光速、基本电荷、普朗克常数等，世界各地有大量科学家在从事这些常数的精确测定工作，其中如光速和基本电荷等常数，其有效数字已达12位（一般而言，有效数字越多表明测定越精确）。

　　与致力于提高基本常数精确度的科学家不同，自1937年开始，狄拉克等物理学家开始意识到物理常数有可能随着宇宙年龄的增长而发生变化，从而不断有研究人员试图寻找基本常数变化的证据。墨菲的团队便是这个怀疑论群体的其中一员，而他们的注意力焦点在于精细结构常数（fine-structure constant），一个在现代物理学理论中越来越重要的数值———有不少人认为，它的重要性甚至超过了光速，因为任何电磁现象都可以用精细结构常数的幂级数来表达。

　　百亿光年外的类星体带来宇宙幼年讯息

　　墨菲等人的研究内容并不难理解：他们接收到距离地球百亿光年以外的类星体发出的光。这些光在到达地球之前，途中经过吸收云，因此在地球上接收到的光便带有吸收云上各种元素的光谱。根据当前通行的宇宙模型，宇宙是在大爆炸后急速膨胀的。宇宙的年龄大约为140亿年，这意味着墨菲等人观察到的百亿光年以外的类星体实际上在宇宙形成初期便已存在。进一步说，他们分析的类星体的原子光谱所显示出来的特征，实际上也是百亿年前的原子特征。

　　通过分析光谱即可得出精细结构常数，墨菲等人将这样得出的数值与现代测定的数值相比较，竟然得到了令人激动的结果。其主要的发现被概括在下方的示意图中，而用最通俗的文字来表达就是：在宇宙形成初期，精细结构常数a的值比现在要小一些。

　　墨菲的发现并未到此为止，由精细结构常数的公式可以知道，a值与光速c成反比，与基本电荷e的平方成正比，而墨菲的实验结果已经说明，a值在宇宙形成初期较现在小，这意味着，可能当时基本电荷的值更小。但不少科学家认为，根据热力学第二定律，基本电荷“无中生有地”变大，可能性不大。

　　或者，令人难以置信地，在宇宙形成初期，光速更快。

　　实习生张力

　　■关键图

　　墨菲小组研究的结果就浓缩于下面这张示意图中。只需稍做解释就能看懂这张图：上方的横轴从左到右，从0到1变化，以当下（也就是地球）为0，宇宙的年龄为1，表示的是不同观察对象（也即不同类星体）的年龄。下方的横轴是表示不同观察对象的红移量（当光源远离观测者时，接收到的光波频率比其固有频率低，即向光谱红端偏移），在这里，只需知道越远的星体其红移量越大就足够了———再次考虑上文提到过的宇宙膨胀模型，便可明白上下两条横轴是互相印证的。

　　左端的纵轴代表墨菲等人测得的精细结构常数α值与现行的标准α值的偏离程度，图上那些垂直的短线段称为标准偏差量，线段的中点就是某一个观察对象的α值与现行的标准α值的偏离程度———离0点基线（中间的虚线）越远，意味着偏离得越来越大。

　　现在我们可以这样阐释墨菲等人的发现：这些类星体的存在时间都比地球要长（或长得多），它们的a值都比现行的标准a偏小（因为每个线段的数据点都处于0点基线下方）；而且，将左起第1，2，3，5条线段与右起第1，2，4，5条线段比较，我们可以相当保守地说，存在时间更长的类星体比存在时间稍短的类星体其a值要更小。墨菲正是这样提出他的猜想：在远古时候（或者说宇宙形成初期），精细结构常数a的值比现在要更小一些。张力

　　■链接

    光速测定史

　　光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义。在物理学理论研究的发展里程中，它不仅为粒子说和波动说的争论提供了判定的依据，而且最终推动了爱因斯坦相对论理论的发展。

　　1607年，伽利略进行了最早的测量光速的实验。他让两个人分别站在相距一英里的两座山上，每个人拿一个灯，第一个人先举起灯，当第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯，从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间间隔就是光传播两英里的时间。但由于光速传播的速度实在太快了，这种方法根本行不通。但伽利略的实验揭开了人类历史上对光速进行研究的序幕。

　　1676年，丹麦天文学家罗麦第一次提出了有效的光速测量方法。他通过观测木星的卫星运行周期推断出，光跨越地球轨道所需要的时间是22分钟。罗麦的理论得到了著名科学家惠更斯的赞同。惠更斯根据他提出的数据和地球的半径第一次计算出了光的传播速度：214000千米/秒，不过这个数值与目前测得的最精确的数据相差甚远。

　　1850年，法国物理学家傅科用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜测出光速是298000千米/秒。另外傅科还测出了光在水中的传播速度，通过与光在空气中传播速度的比较，他测出了光由空气中射入水中的折射率。这个实验给光的微粒理论带来了最后的冲击。

　　1950年，艾森提出了用空腔共振法来测量光速。这种方法的原理是，微波通过空腔时当它的频率为某一值时发生共振。根据空腔的长度可以求出共振腔的波长，再把共振腔的波长换算成光在真空中的波长，由波长和频率可计算出光速。

　　当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的。

　　光速的测定在光学的研究历程中有着重要的意义。虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了300多年的时间，但在这期间每一点进步都促进了几何光学和物理光学的发展，尤其是在微粒说与波动说的争论中，光速的测定曾给这一场著名的科学争辩提供了非常重要的依据。