曙光

西德尼·佩爾科維奇

光的速度為什么是每秒30萬(wàn)千米而不是更快一點(diǎn)或慢一點(diǎn)？一種新理論使我們離答案曙光更進(jìn)了一步。

如果你去參觀塞納河左岸的巴黎天文臺(tái)，就會(huì)看到墻上有一塊展板，上面說(shuō)光速是在1676年首次被測(cè)得的。其實(shí)，這一結(jié)果實(shí)屬無(wú)心之得。當(dāng)時(shí)，丹麥人奧拉·羅默是意大利天文學(xué)家喬凡尼·多美尼科·卡西尼的助手，他想弄清木星的一顆衛(wèi)星相鄰食之間的時(shí)間間隔為什么是變化的。羅默和卡西尼討論認(rèn)為，光速可能是有限的（在這之前，人們通常認(rèn)為光的傳播是在瞬時(shí)完成的）。最后，經(jīng)過(guò)粗略計(jì)算，羅默得出結(jié)論：光線走過(guò)與地球軌道半徑等長(zhǎng)的距離所需的時(shí)間為10分鐘或11分鐘。

之后，卡西尼又改變了看法。他認(rèn)為，如果光速有限，光的傳播就需要時(shí)間，那么在土星的其他衛(wèi)星上也應(yīng)該觀察到食的推遲現(xiàn)象，但實(shí)際上卻沒(méi)有。之后，人們對(duì)于光速問(wèn)題頗有爭(zhēng)議，直到1728年英國(guó)天文學(xué)家詹姆斯·布萊德雷發(fā)現(xiàn)了另一種測(cè)量光速的方式。以后的很多實(shí)驗(yàn)證實(shí)，羅默對(duì)光速的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)慢了25 %。今天，我們已經(jīng)確定光在真空中的傳播速度為每秒299792.458千米。

但光速為什么偏偏是這個(gè)數(shù)據(jù)，而不是其他呢？換句話說(shuō)，光速是如何產(chǎn)生的呢？

150年前的電磁理論給了我們第一個(gè)重要的啟示。蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋指出，電和磁場(chǎng)的交變產(chǎn)生了一種可以運(yùn)動(dòng)的電磁波。麥克斯韋通過(guò)方程式計(jì)算出電磁波的速度，發(fā)現(xiàn)正好等于人們之前已知的光速。這有力地證明了光實(shí)際上是一種電磁波，而這一結(jié)論也很快得到驗(yàn)證。

1905年，研究有了突破性進(jìn)展。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦指出，光在真空中的速度c是宇宙中速度的極限。根據(jù)其狹義相對(duì)論，宇宙中沒(méi)有任何物質(zhì)的傳播速度能超過(guò)光速。

然而，這兩種理論都沒(méi)有充分解釋是什么決定了光速，或者什么可能決定光速。一種新理論認(rèn)為，c的秘密也許可以從真空的本質(zhì)中得以發(fā)現(xiàn)。

量子論提出之前，電磁學(xué)是解釋光的完整理論。今天，電磁學(xué)仍然非常重要，但產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題。為了計(jì)算真空中的光速，麥克斯韋應(yīng)用了兩個(gè)常量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，分別稱作ε0和μ0，用來(lái)定義真空中電和磁場(chǎng)的特性。

問(wèn)題在于，目前尚不清楚這些數(shù)據(jù)在真空中意味著什么。雖然電流和磁性實(shí)際上是由諸如電子這樣的帶電基本粒子運(yùn)動(dòng)形成的，但現(xiàn)在我們討論的是真空中的問(wèn)題。真空中應(yīng)該不存在任何粒子，不是嗎？

這就是量子物理學(xué)的切入點(diǎn)。高級(jí)版本的量子場(chǎng)論認(rèn)為，真空并非真“空”，它只是一種“真空狀態(tài)”，是量子系統(tǒng)能量最低的狀態(tài)，是量子漲落產(chǎn)生瞬逝能量和基本粒子的競(jìng)技場(chǎng)所。

什么是量子漲落？ 根據(jù)海森堡的不確定性原理，物理測(cè)量中總會(huì)有些不確定性。傳統(tǒng)物理學(xué)認(rèn)為，我們能夠準(zhǔn)確測(cè)得物體（比如靜止的臺(tái)球）的位置和動(dòng)量，但這恰恰是不確定性原理否定的。海森堡認(rèn)為，我們無(wú)法同時(shí)獲得這兩個(gè)數(shù)據(jù)，球似乎是輕微抖動(dòng)的，只是這種抖動(dòng)太微小，人類的測(cè)量器很難顯示出來(lái)。但在量子真空中，會(huì)產(chǎn)生微小的能量爆發(fā)或類似的事情，這種爆發(fā)以基本粒子的形式突然產(chǎn)生又瞬間消失。

勒克斯對(duì)經(jīng)典電磁學(xué)和量子漲落的關(guān)系問(wèn)題非常感興趣。

這種短暫的現(xiàn)象存在卻又像鬼魂一樣虛無(wú)，但產(chǎn)生的包括電磁在內(nèi)的影響的確可以被測(cè)量到。這是因?yàn)榱孔诱婵盏亩虝捍碳な且跃哂邢嗤蛳喈愲姾傻牧Ｗ雍头戳Ｗ訉?duì)出現(xiàn)的，例如，電子和正電子。真空中的電磁場(chǎng)會(huì)改變這些粒子和反粒子對(duì)，產(chǎn)生電反應(yīng)，同時(shí)由于磁場(chǎng)的影響產(chǎn)生磁場(chǎng)反應(yīng)。這種現(xiàn)象為我們計(jì)算而非僅僅測(cè)量真空中的電磁性能提供了一種方法，從而導(dǎo)出光速c。

2010年，德國(guó)普朗克光學(xué)研究所的物理學(xué)家歌德·勒克斯及其同事就做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他們利用量子真空中的虛粒子計(jì)算出了電常數(shù)ε0。之后，法國(guó)巴黎第十一大學(xué)的物理學(xué)家邁克·厄班及其同事受此啟發(fā)，根據(jù)量子真空中的電磁特性計(jì)算出了光速c。2013年，他們宣布利用他們的方法得出的數(shù)值準(zhǔn)確無(wú)誤。

這個(gè)結(jié)果令人滿意，但并不那么明確。首先，厄班及其同事不得不做一些沒(méi)有根據(jù)的假設(shè)。這需要做全面的分析以及實(shí)驗(yàn)，證明光速c確實(shí)可以從量子真空中獲得。然而，勒克斯告訴我說(shuō)，他仍然對(duì)經(jīng)典電磁學(xué)和量子漲落的關(guān)系十分感興趣，并因此一直在做一個(gè)完整量子場(chǎng)論指導(dǎo)下的精密分析。同時(shí)，厄班及其同事建議設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試兩者之間的關(guān)系。因此，光速c最終會(huì)有一個(gè)更加基本的理論為根據(jù)，這個(gè)期望是合理的。然而， 問(wèn)題就會(huì)迎刃而解嗎？

毫無(wú)疑問(wèn)，光速c只是幾個(gè)基本常數(shù)或普適常數(shù)之一。人們認(rèn)為這些常數(shù)適用于整個(gè)宇宙，而且恒定不變。比如，萬(wàn)有引力常數(shù)G，用以描述整個(gè)宇宙的引力強(qiáng)度;在微觀尺度上，普朗克常數(shù)h確定量子效應(yīng)的大小;電子電荷e 是電的基本單位。

常數(shù)的數(shù)值非常精確，例如，h的測(cè)量值就精確到了小數(shù)點(diǎn)后34位。但這些數(shù)字又提出了很多懸而未決的問(wèn)題：它們真的恒定不變嗎？什么情況下它們是“基本”常數(shù)？它們?yōu)槭裁磿?huì)有值？它們會(huì)告訴我們什么樣的物理事實(shí)？

“常數(shù)”是否真的恒定不變是一個(gè)古老的哲學(xué)爭(zhēng)議。亞里士多德認(rèn)為，地球的構(gòu)成與其他天體不同;哥白尼堅(jiān)信，我們所在的地球無(wú)異于任何其他地方;當(dāng)今科學(xué)遵從現(xiàn)代哥白尼學(xué)說(shuō)，假設(shè)物理學(xué)定律適用于時(shí)空中的任何地方。但假設(shè)就是假設(shè)，它需要驗(yàn)證（特別是G 和c 這樣的常數(shù)），以確保我們沒(méi)有誤解遙遠(yuǎn)的宇宙。

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者保羅·狄拉克提出G可能隨著時(shí)間而變化。1937年，對(duì)宇宙哲學(xué)的思考令他認(rèn)為G每年減少10-10。這對(duì)嗎？也許不對(duì)。對(duì)天體的重力觀測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)G的下降，而且迄今也沒(méi)有跡象表明G在空間中會(huì)發(fā)生變化，它的測(cè)量值準(zhǔn)確地描繪了太陽(yáng)系行星的軌跡和航天器的運(yùn)行軌道。除此之外，還有遙遠(yuǎn)的宇宙發(fā)生的其他事情。射電天文學(xué)家最近證實(shí)，G能準(zhǔn)確描述3750光年外脈沖星（超新星快速旋轉(zhuǎn)的殘留物）的發(fā)展?fàn)顩r。同樣，也沒(méi)有任何可信的證據(jù)證明c在時(shí)

間或空間中是變化的。

因此，我們假設(shè)這些常數(shù)真的恒定不變。那它們是基本常數(shù)嗎？與其他常數(shù)比，它們更“基本”嗎？這里的“基本”指什么？解答這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)辦法，就是找到誰(shuí)是得出其他常數(shù)的最小常量集。在這里，有用的選擇只有h、c和G，共同代表了相對(duì)論和量子理論。

只有無(wú)量綱常數(shù)才是真正“基本”的數(shù)，因?yàn)樗鼈儶?dú)立于任何的測(cè)量體系。

1899年，量子物理學(xué)的奠基人馬克斯·普朗克檢驗(yàn)了h、c、G和物理現(xiàn)實(shí)三個(gè)維度之間的關(guān)系問(wèn)題，每個(gè)被檢驗(yàn)的物理量都用數(shù)值和維度共同描述。從這些關(guān)系中，普朗克導(dǎo)出了他的自然單位，得出普朗克單位下h、c和G的不同組合，我們能夠更深入地了解量子重力和早期的宇宙。

有些常數(shù)沒(méi)有維度量，通常被稱作無(wú)量綱常數(shù)。它們都是單純的數(shù)，比如，質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量的比值——1836.2。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的物理學(xué)家邁克爾·黛夫認(rèn)為，只有無(wú)量綱常數(shù)才是真正基本的常數(shù)，因?yàn)樗鼈儶?dú)立于任何測(cè)量體系;量綱常數(shù)則“只是人們的構(gòu)想，它的數(shù)和值會(huì)因?yàn)閱挝坏牟煌煌薄?/p>

或許最有趣的無(wú)量綱常數(shù)是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是1916年確定的，當(dāng)時(shí)科學(xué)家用量子理論與相對(duì)論來(lái)解釋氫原子光譜中的精細(xì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一理論，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α表示圍繞氫核運(yùn)動(dòng)的電子的速度和光速的比值。

今天，在量子電動(dòng)力學(xué)（關(guān)于光和物質(zhì)相互作用的理論）中，α是作用于電子上的電磁力強(qiáng)度，起著重要的作用。電磁力、引力、強(qiáng)核力和弱核力詮釋了宇宙的工作機(jī)制。但到目前為止，仍然沒(méi)有人能夠解釋?duì)吝@個(gè)常數(shù)值，因?yàn)樗葲](méi)有明顯的前因作為參考，也缺乏有意義的關(guān)系線索。正如諾貝爾獎(jiǎng)獲得者物理學(xué)家理查德·費(fèi)因曼所說(shuō)：“這個(gè)數(shù)字自發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直是個(gè)謎……它是物理學(xué)中的一個(gè)謎：一個(gè)魔數(shù)來(lái)到我們身邊，可是沒(méi)人能理解它。你也許會(huì)說(shuō)是‘上帝之手’寫(xiě)下了這個(gè)數(shù)字，而‘我們不知道他是怎樣下的筆’。 ”

不管它是出自“上帝之手”，還是來(lái)自一些形成常數(shù)的真正基礎(chǔ)的物理變化過(guò)程，它身上明顯的隨意性讓物理學(xué)家抓狂。為什么是這些數(shù)？難道就沒(méi)有發(fā)生過(guò)變化？

一個(gè)解決這種令人煩惱的意外的辦法就是直面問(wèn)題。這讓我們想起了人擇原理。人擇原理是一種哲學(xué)觀點(diǎn)，認(rèn)為人類在自然界觀察到的一切是人類存在的緣故。簡(jiǎn)言之，我們之所以發(fā)現(xiàn)這樣的常數(shù)，是因?yàn)槿绻鼈兎浅２煌?，我們就不?huì)發(fā)現(xiàn)。α值的一點(diǎn)細(xì)微變化都將改變宇宙。例如，如果恒星演化過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生碳，那么碳基生命便不可能存在。人們就是基于這樣的考慮將α值限定為1/170至1/80，因?yàn)槿绻鲞@個(gè)數(shù)值范圍，我們將不復(fù)存在。

但這些爭(zhēng)議并不排除存在常數(shù)值不同的其他宇宙空間的可能性。盡管那些宇宙空間也許并不適合人類居住，但想象一下我們能夠看到些什么，也是值得的。

令人稱奇的是，我們的這些宇宙定律都是緊密相關(guān)的。

比如，如果光速c再快點(diǎn)呢？對(duì)我們來(lái)說(shuō)，光的傳播速度非?？?，沒(méi)有什么能超越光速。但是光在遠(yuǎn)程傳播中總能造成巨大的時(shí)間差。太空那么大，星光在到達(dá)我們之前也許已跋涉了億萬(wàn)年。人類航天器的速度比光速要慢得多，這意味著我們永遠(yuǎn)無(wú)法將宇航員送到這些星球上去。不過(guò)往好處想，時(shí)距讓望遠(yuǎn)鏡變成了時(shí)光機(jī)，我們可以通過(guò)望遠(yuǎn)鏡遙望億萬(wàn)年前的星系。

假如光速c再快10倍，很多事情都會(huì)改變。地球上的通信問(wèn)題將有所改善;遠(yuǎn)程無(wú)線電信號(hào)的時(shí)距會(huì)減少;美國(guó)航空航天局可以更好地遙控?zé)o人飛船和星際探測(cè)器。但另一方面，加快的光速會(huì)擾亂我們回看宇宙歷史的能力。

那么假想一下時(shí)光放緩。我們可以看著它慵懶地從燈盞中悄然而出，慢慢地灑滿整個(gè)房間。盡管這對(duì)我們的日常生活沒(méi)有太大的用處，但有一個(gè)好處是，望遠(yuǎn)鏡可以將我們帶回宇宙大爆炸時(shí)期。（某種程度上，慢光已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里成功實(shí)現(xiàn)。1999年，研究人員將激光的速度降到了自行車(chē)的速度。之后，通過(guò)讓光穿過(guò)超冷原子氣體，一度將光速逼停。）

這么想想也很有趣?；蛟S在不遠(yuǎn)的宇宙中，這些假想狀況就真實(shí)地存在著。但是有一點(diǎn)令人稱奇，那就是我們的這些宇宙定律都是緊密相關(guān)的。勒克斯指出，將光速c與量子真空結(jié)合研究，會(huì)明顯地發(fā)現(xiàn)量子漲落“巧妙地嵌在”經(jīng)典電磁學(xué)中，盡管電磁理論的提出比量子領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)早35年。這種關(guān)聯(lián)也恰好是量子效應(yīng)影響整個(gè)宇宙的一個(gè)絕好實(shí)例。

如果存在多個(gè)宇宙，應(yīng)用不同的常數(shù)值，根據(jù)不同的宇宙定律層層展開(kāi)，人擇原理或許足以解釋我們眼中的宇宙的種種特性。某種意義上，這可能僅僅是一種運(yùn)氣。但我不能確定，憑此是否就能成功地揭開(kāi)事物的面紗。

也許多元宇宙的不同部分必須遵從它們自己的規(guī)律，以特殊的方式互相關(guān)聯(lián);反過(guò)來(lái)，也可以想象一下那些宇宙互相關(guān)聯(lián)的種種不同方式。為什么多元宇宙是這樣的而不是那樣的？要想讓聰明的人類習(xí)慣事物的任意性似乎不太可能。 我們又走近了那個(gè)關(guān)于“存在”和“虛無(wú)”的古老的哲學(xué)謎題，這個(gè)謎目前也許沒(méi)有任何智慧之光可以參透。