光速可變理論光速可變理論認(rèn)為光速（以c表示）是時(shí)空的函數(shù)，因此不是確定的數(shù)值。在經(jīng)典物理學(xué)中，真空中的光速是一個(gè)常數(shù)，在國際單位制中被定義為c=299792458米/秒。經(jīng)典物理學(xué)中光速可變可以在某些情形下出現(xiàn)，比如一些已確立理論的等價(jià)公式中，再如大多數(shù)非主流的引力和宇宙學(xué)理論里。著名的光速可變說包括愛因斯坦1911年的理論、羅伯特·迪克1957年的理論以及1980年代后期幾名研究者的理論。因?yàn)檫@些理論與廣泛接受的學(xué)說相沖突，光速可變理論具很大爭議性。 目錄 愛因斯坦1911年的嘗試[編輯]
愛因斯坦在1907年著手研究光速可變。[1] 愛因斯坦說： 在一篇1912年的論文中，[3]他總結(jié)道： 但是，愛因斯坦推導(dǎo)出在太陽附近的光線偏轉(zhuǎn)為“將近一弧秒”，僅為后來其廣義相對論得到正確數(shù)值的一半。1919年，愛丁頓的測量驗(yàn)證了廣義相對論的預(yù)測結(jié)果。但是愛因斯坦卻因其它原因放棄了光速可變理論。值得注意的是，他在1911年僅考慮了時(shí)間可變。在廣義相對論中，在不同的理論語境下，空間和時(shí)間的測量都可能受到附近質(zhì)量的影響。 迪克1957年的嘗試和馬赫原理[編輯]1957年羅伯特·迪克提出了一種光速可變的引力理論。[4] 在一個(gè)視界不斷膨脹的宇宙中，越來越多的質(zhì)量對折射率有貢獻(xiàn)，因此迪克認(rèn)為宇宙中c隨時(shí)間而減慢，這給宇宙學(xué)的紅移提供了一個(gè)另一個(gè)解釋（p. 374）。[4]應(yīng)當(dāng)指出的是，迪克的理論同國際單位制中的定義c=299792458米/秒并無沖突，因?yàn)闀r(shí)間（秒）和長度（米）單位和皆可以變化（p. 366）。 其它與愛因斯坦和迪克理論有關(guān)的光速可變嘗試[編輯]雖然迪克提出了廣義相對論的替代理論，光速隨空間變化的概念并不違反廣義相對論。其實(shí)這個(gè)概念隱含在廣義相對論的坐標(biāo)空間描述中。若干教科書中曾提及，比如威爾[5]書中的公式6.14和
6.15，以及溫伯格[6]書中的公式9.2.5
（ “... 注意光子速度是 ... 根據(jù)這個(gè)公式，有人提出了與廣義相對論所有已知測試結(jié)果相一致的光速可變模型，[7] 作為宇宙膨脹替代理論的現(xiàn)代光速可變理論[編輯]為了解釋宇宙學(xué)中的視界問題并找到能解釋宇宙膨脹的新理論，讓-皮埃爾·伯蒂特于1988年、[11][12][13][14]約翰·莫法特于1992年[15] 在伯蒂特等的理論中，所有物理學(xué)常數(shù)協(xié)同變化而導(dǎo)致時(shí)間和空間標(biāo)度因子的變化與c的變化同時(shí)發(fā)生。因此所有物理方程和物理常數(shù)在宇宙的演化中保持不變。愛因斯坦場方程因愛因斯坦常數(shù)中c和G的同時(shí)變化而保持不變。后來的模型將物理常數(shù)的變化限制在宇宙早期的更高能量密度，比如在輻射主控時(shí)期的起始階段，那時(shí)的時(shí)空等同于度規(guī)共形平直的空間-熵。[23][24]值得注意的是，雖然這是第一個(gè)公開發(fā)表、至今唯一一個(gè)不用改寫現(xiàn)代物理學(xué)公式的光速可變模型，伯蒂特等的論文在后世的光速可變文獻(xiàn)中很少得到引用。
莫法特和 其他的光速可變理論[編輯]虛光子[編輯]在某些量子場論的計(jì)算中，虛光子可以在短距離內(nèi)以不同于光速的速度運(yùn)動(dòng)。但是，這并不意味著光速可以超越。有人宣稱量綱量c隨時(shí)間的變化其實(shí)沒有任何意義（非量綱量，比如精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時(shí)間的的變化，是有意義的）。在某些有爭議的宇宙學(xué)理論中，光速還可以通過改變狹義相對論的假設(shè)來變化。[來源請求] 光子速度變化[編輯]光子傳遞電磁力，沒有靜止質(zhì)量。經(jīng)典物理學(xué)中，光子可以具有極小但存在的質(zhì)量，和中微子一樣。這些光子可以以小于狹義相對論定義的光速運(yùn)動(dòng)，并可以在三個(gè)方向上極化。但在量子場論中，光子有質(zhì)量的假設(shè)與規(guī)范不變性及可重整化性相悖，因此常被忽略。大質(zhì)量光子的量子理論在用威爾森有效場論處理量子場論時(shí)可以成立。在這種方法中，根據(jù)光子質(zhì)量由希格斯機(jī)制產(chǎn)生或由臨時(shí)插入普羅卡拉格朗日密度方程而產(chǎn)生，各種觀察/實(shí)驗(yàn)所暗含的邊界條件也許不同。因此，光速不是一個(gè)常數(shù)。[27] 量子理論中的光子速度變化[編輯]在量子場論中，海森堡測不準(zhǔn)原理指出光子可以在短時(shí)間內(nèi)以任何速度運(yùn)動(dòng)。在費(fèi)曼圖中，這種光子被稱為虛光子，可以通過它們在質(zhì)殼外運(yùn)動(dòng)而加以辨別。這種光子可以具有任何速度，包括超越光速。費(fèi)曼說：
“
”
但是這些虛光子并不違反因果律和狹義相對論，因?yàn)樗鼈儫o法直接觀測到，理論中也無法違反因果關(guān)系傳遞信息。費(fèi)曼圖和虛光子并非是真實(shí)發(fā)生的物理過程，而是一種方便的計(jì)算工具（某些情形碰巧含有快于光速的速度向量）。 與其它常數(shù)以及其變化的關(guān)系[編輯]引力常數(shù) G[編輯]1937年，狄拉克和其他人開始研究如果自然常數(shù)隨時(shí)間變化可能造成的后果。[29] 但是，費(fèi)曼在他著名的物理學(xué)講座中指出，[30]在過去40億年里，根據(jù)對地球和太陽系的觀測，引力常數(shù)的變化極有可能小于狄拉克的預(yù)計(jì)（但這需要假定引力常數(shù)無法改變其它常數(shù)）。 精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α[編輯]一個(gè)研究組在研究遙遠(yuǎn)類星體時(shí)，聲稱發(fā)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)在十萬分之一水平上的變化。[31]這一結(jié)果受到研究界的爭議。其他研究類星體的研究組稱在更高精度上沒有發(fā)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化。[32][33][34]此外，有人在研究奧克洛天然核反應(yīng)堆某些同位素豐度時(shí)，用更加嚴(yán)格的限定條件，結(jié)果也表明精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)不存在變化。[35][36] 保羅·戴維斯等人提出，理論上有可能分辨哪些構(gòu)成精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的量綱常數(shù)（基本電荷、普朗克常數(shù)以及光速）導(dǎo)致其變化。[37]但是，此說未被廣泛接受。[38][39] 對光速可變理論的批判[編輯]無量綱量和量綱量[編輯]因?yàn)?/font>量綱量會根據(jù)選擇不同的單位而變化，有人曾試圖説明這種量變化的實(shí)際意義。比如約翰·貝洛曾寫到：
“
我們從像精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α一樣的純數(shù)字界定這個(gè)世界中學(xué)到的重要一課是，它對于不同世界的含義是不同的。我們稱為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)、以α表示的純數(shù)字，是基本電荷e、光速c和普朗克常數(shù)h的組合。起先我們也許會想一個(gè)擁有較慢光速的世界也許會是個(gè)不同的世界。但這會是個(gè)錯(cuò)誤。如果c、h和e都發(fā)生了變化，它們以公制（或其他制）為單位的數(shù)值不同于我們在我們的物理常數(shù)表中查到的數(shù)值，但α的值仍是一個(gè)常數(shù)，那麼這個(gè)新的世界在觀測上將和我們的世界無法區(qū)分。在世界的定義上唯一重要的事情是自然無量綱常數(shù)的值。如果所有的質(zhì)量都加倍（包括普朗克質(zhì)量mP），你不會察覺，因?yàn)槿魏?/font>質(zhì)量比得到的純數(shù)值沒有改變。[40]
”
任何物理定律的公式都可以通過量綱的對消而只剩下無量綱量，這被稱為無量綱化。另外，物理學(xué)者可以通過選擇單位使得物理常數(shù)c、G、?=h/(2π)、4πε0和kB數(shù)值為1，每一個(gè)物理量都可以以自己對應(yīng)的普朗克單位歸一化。因此，有人認(rèn)為闡明一個(gè)量綱量的演化毫無意義。[41]當(dāng)物理定律的公式使用普朗克單位、無量綱化之后，具有量綱的物理常數(shù)如c、G、?、ε0和kB都不存在了。依照假定單位而變化的引力常數(shù)G，其相對應(yīng)的無量綱量最終會變成普朗克質(zhì)量和基本粒子質(zhì)量的比值。某些與光速相關(guān)的重要無量綱量，比如精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和質(zhì)子電子質(zhì)量比，其變化是有意義的，仍然被研究所關(guān)注。[42] 和c之定義的關(guān)系[編輯]對可變光速理論而言，如果國際單位制中米的定義回歸其1960年代以前的定義，即國際米原器的話，測定到的光速就會根據(jù)國際米原器長度的變化而變化。那麼c的變化就等于國際米原器與普朗克長度的無量綱比值的變化，或者國際單位制中秒同普朗克時(shí)間的無量綱比值的變化，或兩者兼而有之。如果構(gòu)成國際米原器的原子數(shù)量保持不變（穩(wěn)定的原型尺應(yīng)當(dāng)如此），那麼c的變化就等于普朗克長度與原子玻爾半徑的無量綱比值的變化，或者普朗克時(shí)間同一個(gè)銫-133原子震動(dòng)周期的無量綱比值的變化，或兩者兼而有之。 對光速可變宇宙學(xué)的批評[編輯]喬治·埃利斯曾擔(dān)憂變化的光速將導(dǎo)致大部分現(xiàn)代物理學(xué)不得不重寫，因?yàn)楝F(xiàn)存體系基本上建立于光速不變的基礎(chǔ)上。[43]埃利斯稱，任何光速可變理論1）必須重新定義距離的測量，2）必須給出廣義相對論中度規(guī)張量的新表達(dá)式，3）也許和洛倫玆不變性相沖突，4）必須修改麥克斯韋方程，5）必須和其他物理理論保持一致。這些判據(jù)是否適用于愛因斯坦1911年的理論和迪克1957年的理論尚有爭議。[44]可變光速宇宙學(xué)仍然屬于非主流物理學(xué)。 參考文獻(xiàn) |
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因?yàn)?img doc360img-src='http://image105.360doc.com/DownloadImg/2017/03/2819/95123480_2.png' style="border-width: medium; border-style: none; display: inline; margin: 0px; vertical-align: middle;" alt=" c =\nu\lambda" src="http://image105.360doc.com/DownloadImg/2017/03/2819/95123480_2.png" title="光速可變理論">而導(dǎo)致其傳播速度更慢。與此類似，愛因斯坦假設(shè)引力場中的時(shí)鐘更慢，其對應(yīng)的頻率
受到引力勢能的影響（公式2，p. 
.
(公式5)
并證明此公式同光偏轉(zhuǎn)的觀測值一致。在一篇與
代表引力勢能-GM/r）：
”.
