曙光


   光的速度为什么是每秒30万千米而不是更快一点或慢一点?一种新理论使我们离答案曙光更进了一步。
   如果你去参观塞纳河左岸的巴黎天文台,就会看到墙上有一块展板,上面说光速是在1676年首次被测得的。其实,这一结果实属无心之得。当时,丹麦人奥拉·罗默是意大利天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼的助手,他想弄清木星的一颗卫星相邻食之间的时间间隔为什么是变化的。罗默和卡西尼讨论认为,光速可能是有限的(在这之前,人们通常认为光的传播是在瞬时完成的)。最后,经过粗略计算,罗默得出结论:光线走过与地球轨道半径等长的距离所需的时间为10分钟或11分钟。
   之后,卡西尼又改变了看法。他认为,如果光速有限,光的传播就需要时间,那么在土星的其他卫星上也应该观察到食的推迟现象,但实际上却没有。之后,人们对于光速问题颇有争议,直到1728年英国天文学家詹姆斯·布莱德雷发现了另一种测量光速的方式。以后的很多实验证实,罗默对光速的原始观测数据慢了25 %。今天,我们已经确定光在真空中的传播速度为每秒299792.458千米。
   但光速为什么偏偏是这个数据,而不是其他呢?换句话说,光速是如何产生的呢?
   150年前的电磁理论给了我们第一个重要的启示。苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦指出,电和磁场的交变产生了一种可以运动的电磁波。麦克斯韦通过方程式计算出电磁波的速度,发现正好等于人们之前已知的光速。这有力地证明了光实际上是一种电磁波,而这一结论也很快得到验证。
   1905年,研究有了突破性进展。阿尔伯特·爱因斯坦指出,光在真空中的速度c是宇宙中速度的极限。根据其狭义相对论,宇宙中没有任何物质的传播速度能超过光速。
   然而,这两种理论都没有充分解释是什么决定了光速,或者什么可能决定光速。一种新理论认为,c的秘密也许可以从真空的本质中得以发现。
   量子论提出之前,电磁学是解释光的完整理论。今天,电磁学仍然非常重要,但产生了一个问题。为了计算真空中的光速,麦克斯韦应用了两个常量的实验测量值,分别称作ε0和μ0,用来定义真空中电和磁场的特性。
   问题在于,目前尚不清楚这些数据在真空中意味着什么。虽然电流和磁性实际上是由诸如电子这样的带电基本粒子运动形成的,但现在我们讨论的是真空中的问题。真空中应该不存在任何粒子,不是吗?
   这就是量子物理学的切入点。高级版本的量子场论认为,真空并非真“空”,它只是一种“真空状态”,是量子系统能量最低的状态,是量子涨落产生瞬逝能量和基本粒子的竞技场所。
   什么是量子涨落? 根据海森堡的不确定性原理,物理测量中总会有些不确定性。传统物理学认为,我们能够准确测得物体(比如静止的台球)的位置和动量,但这恰恰是不确定性原理否定的。海森堡认为,我们无法同时获得这两个数据,球似乎是轻微抖动的,只是这种抖动太微小,人类的测量器很难显示出来。但在量子真空中,会产生微小的能量爆发或类似的事情,这种爆发以基本粒子的形式突然产生又瞬间消失。
   勒克斯对经典电磁学和量子涨落的关系问题非常感兴趣。
   这种短暂的现象存在却又像鬼魂一样虚无,但产生的包括电磁在内的影响的确可以被测量到。这是因为量子真空的短暂刺激是以具有相同或相异电荷的粒子和反粒子对出现的,例如,电子和正电子。真空中的电磁场会改变这些粒子和反粒子对,产生电反应,同时由于磁场的影响产生磁场反应。这种现象为我们计算而非仅仅测量真空中的电磁性能提供了一种方法,从而导出光速c。
   2010年,德国普朗克光学研究所的物理学家歌德·勒克斯及其同事就做了这样一个实验。他们利用量子真空中的虚粒子计算出了电常数ε0。之后,法国巴黎第十一大学的物理学家迈克·厄班及其同事受此启发,根据量子真空中的电磁特性计算出了光速c。2013年,他们宣布利用他们的方法得出的数值准确无误。
   这个结果令人满意,但并不那么明确。首先,厄班及其同事不得不做一些没有根据的假设。这需要做全面的分析以及实验,证明光速c确实可以从量子真空中获得。然而,勒克斯告诉我说,他仍然对经典电磁学和量子涨落的关系十分感兴趣,并因此一直在做一个完整量子场论指导下的精密分析。同时,厄班及其同事建议设计新的实验,测试两者之间的关系。因此,光速c最终会有一个更加基本的理论为根据,这个期望是合理的。然而, 问题就会迎刃而解吗?
   毫无疑问,光速c只是几个基本常数或普适常数之一。人们认为这些常数适用于整个宇宙,而且恒定不变。比如,万有引力常数G,用以描述整个宇宙的引力强度;在微观尺度上,普朗克常数h确定量子效应的大小;电子电荷e 是电的基本单位。
   常数的数值非常精确,例如,h的测量值就精确到了小数点后34位。但这些数字又提出了很多悬而未决的问题:它们真的恒定不变吗?什么情况下它们是“基本”常数?它们为什么会有值?它们会告诉我们什么样的物理事实?
   “常数”是否真的恒定不变是一个古老的哲学争议。亚里士多德认为,地球的构成与其他天体不同;哥白尼坚信,我们所在的地球无异于任何其他地方;当今科学遵从现代哥白尼学说,假设物理学定律适用于时空中的任何地方。但假设就是假设,它需要验证(特别是G 和c 这样的常数),以确保我们没有误解遥远的宇宙。
   诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克提出G可能随着时间而变化。1937年,对宇宙哲学的思考令他认为G每年减少10-10。这对吗?也许不对。对天体的重力观测没有发现G的下降,而且迄今也没有迹象表明G在空间中会发生变化,它的测量值准确地描绘了太阳系行星的轨迹和航天器的运行轨道。除此之外,还有遥远的宇宙发生的其他事情。射电天文学家最近证实,G能准确描述3750光年外脉冲星(超新星快速旋转的残留物)的发展状况。同样,也没有任何可信的证据证明c在时

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