宇宙 量子通讯 光速并非恒定 而是越来越慢？

如果光速是可变的，而且过去比现在更快，那一些宇宙学难题就可以迎刃而解了。

1905年，26岁的阿尔伯特·爱因斯坦提出狭义相对论，从此改变了物理学的发展轨迹。狭义相对论描绘了时间与空间的关系，它建立在两条基本假设的基础上：物理定律对于所有的匀速运动的观察者来说都相同；真空中的光速对任何观察者来说恒定不变。

在过去的一个世纪内，爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论都经受住了实验的检验，并且能够用于解释许多物理现象，包括宇宙的起源。但在20世纪90年代末期，少数几位物理学家向狭义相对论的一条基本假设发起了挑战。他们认为，光速并非恒定不变：在早期宇宙，光速比现在要快。

“现代物理学完全是基于‘光速不变’推导出来的，”伦敦帝国学院的宇宙学家Joao Magueijo说道，他最初提出了光速可变理论，“所以我们必须要想办法在不对现有物理体系产生过多影响的基础上，将光速可变性嵌入其中。”

Magueijo介绍说，他提出光速可变理论，是为了解决长久以来宇宙学中一直存在的“视界问题”——该问题正是因为假定光速恒定而产生的。

如果光速始终不变，那么自从约137亿年前的宇宙大爆炸以来，光只可能在宇宙中穿行大约137亿光年。光穿行的距离受到这个限制，就意味着宇宙的可见范围是有边界的，这个边界的半径大约是470亿光年（尽管光只能穿行137亿光年，但我们还应该将宇宙膨胀效应计算在内）。

我们把可见的宇宙想象成一个半径470亿光年的大球，而我们坐在这个球的中心。球的边界，亦即宇宙的视界，乃是宇宙微波背景（cosmic microwave background, CMB）发出的地点。宇宙微波背景是产生于宇宙大爆炸后大约40万年时的辐射，是人类所能够获得的最早的宇宙图像。不论你处于宇宙中的哪个位置，你都处于你的宇宙视界的中心，而此刻观测到的宇宙微波背景则距离你有137亿光年远。

问题在于，宇宙中的任何一点到微波背景辐射发出的地点，距离都是137亿光年，那么宇宙视界两端的微波背景辐射之间的距离就大约是274亿光年。这也就意味着宇宙太大，在宇宙寿命范围内，光不可能从一端穿行到另一端。然而，这又与我们观测到的微波背景辐射的均一性相矛盾。

宇宙学家观测到，宇宙微波背景辐射极其均匀。天空任何一个方向的微波背景辐射的温度都是大约-270℃，相对涨落只有十万分之一。然而，如果宇宙中运动最快的光，穷尽宇宙之寿命都不能从宇宙一端穿行到另一端，那么我们就不可能观察到如此均一的微波背景辐射。

要理解其中的道理，我们可以用浴盆来类比宇宙。浴盆两端各有一个水龙头，其中一个在放冷水，另一个在放热水。如果把两个水龙头关闭，那么冷水与热水混合，最终浴盆中的水会达到均匀一致的温度。但是，如果在进水的同时，浴盆的各个方向又在不断向外快速延伸，以至于冷水和热水永远无法相遇，那么浴盆一端就永远是冷水，另一端永远是热水，无法达到同样的温度。

宇宙大爆炸的过程，就类似于向外延伸的浴盆，但能够反映宇宙早期温度的微波背景辐射却没有冷热起伏，反而十分均匀，这是怎么回事呢？

目前，在尝试解决“视界问题”的所有假说中，暴胀理论（inflation theory）呼声最高。暴胀理论认为，宇宙微波背景辐射之所以如此均匀，是因为宇宙在小而致密的阶段就已经达到了均一状态，然后在暴胀过程中继续保持均一。这就相当于，浴盆中的水先混合达到了均匀的温度，然后才开始快速向外延伸。

尽管暴胀理论能够兼容光速的不变性，但它要求存在一个“暴胀场”，并且这个场只在早期宇宙的一段短暂的时间内存在。