真空充满不定虚粒子 光速或并非固定常数

量子科学 2018-01-11 08:50:20

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爱因斯坦的狭义相对论设定了光速为30万每秒

 一直以来我们都认为光速是恒定的,但目前有些科学家正在探索光速会发生改变的可能性,这种改变或可能是宇宙空间真空性的结果。光速的定义对某些领域来说,具有更广义的内涵,例如宇宙学和天文学,这些领域假定光随着时间是保持恒定速度的。例如,当测量精细结构常数(阿尔法)时——它定义了电磁力的强度——就会涉及光速。不同的光速将会导致分子键以及核物质本身密度的改变。

光速不恒定意味着我们对宇宙大小的估计可能也是不准确的,但这并不意味着宇宙的速度极限能够超过光速,这是因为某些物理学理论,例如相对论的效应是光速的结果。

这两篇发表在欧洲物理学期刊D上的文章试图论证光速起源于空间本身的量子特性。两篇文章提出了略微不同的机制,但核心观点都是基于同一假设,也即基本粒子与辐射会发生相互作用,当这种相互作用发生变化时,光速也会发生改变。两个理论都认宇宙并非空洞的,而是由大量“虚粒子”组成,它们在几分之一秒的时间内会瞬间存在或消失。

宇宙真空与光速

第一篇研究是由法国巴黎第十一大学的物理学家马塞尔·乌尔班(Marcel Urban)负责的,该研究主要调查了宇宙真空,后者往往被认为是虚空的空间。定义亚原子粒子和所有微小事物的量子物理学定律认为,宇宙的真空其实是由大量例如夸克粒子的基本粒子组成,它们被称为“虚粒子”。这些物质粒子总是与相应的反粒子成对出现,存在瞬间便彼此相碰撞,当物质和反物质粒子相遇时,两者会立即湮灭。

光子在穿越宇宙空间时,会被虚粒子捕捉并重新放射出来。乌尔班和他的同事提出,这些粒子的能量——尤其是它们所携带的电量——会影响光的速度。由于光子撞击粒子时它所携带的能量是随机的,它对光子移动速度的影响也将各不相同。

因此,一定范围内光移动的速度也是不恒定的,尽管这种影响效应可能非常微弱,平均每平方米真空对光速的影响大约为0.05飞秒,一飞秒是一千万亿分之一秒。

研究人员表示,为了确定这微小的浮动,他们可以测量光在长距离范围内是如何分散的。有些天文现象,例如伽马射线爆发,从非常远的距离产生了辐射脉冲,因此可以检测到产生的辐射。研究作者还提出,利用激光在相距91米的镜子之间来回反射,并利用光束在镜子之间进行多次反射,从而寻找其中的微小变化。

粒子种类和光速

第二篇文章提出了另一种不同的机制,但结果大致相似,也即光速并非恒定的。德国埃朗根马克斯普朗克光学物理研究所的物理学家格尔德·勒克斯(Gerd Leuchs )和路易斯·L·桑切斯-索托(Luis L. Sánchez-Soto)认为,宇宙存在的基本粒子种类的数量可能是影响光速的重要因素。

勒克斯和桑切斯-索托表示,根据他们的计算,宇宙应该存在100种带电的粒子种类。目前统治粒子物理学的定律,也即标准模型,只定义了九种粒子:电子、μ介子、微介子、六种夸克粒子、光子和玻色子。

所有这些粒子都对标准模型来说都至关重要,因为它们都带电。一种名为阻抗的特性依赖于所有这些带电量之和。阻抗又依赖于真空的介电常数,或者称它抵抗电场的能量,以及磁导率,也即它们支持磁场的能力。光波是由电波和磁波共同组成,因此改变这些特性(介电常数和磁导率)将会改变所测量的光速。

“我们测量了由这些短暂的虚拟不稳定基本粒子所引起的真空的介电常数和磁导率,” 桑切斯-索托这样说道。“然而,结果发现,通过这样简单的模型我们可以辨别那些常数包含不同类型的带电粒子-反粒子对的平等分布。”

两篇文章都总结称光与虚拟粒子-反粒子对会发生相互作用。在勒克斯和桑切斯-索托的模型中,真空的阻抗(或可能加快和减慢光速)取决于粒子的密度。阻抗与光的电场与磁场比率有关;每一个光波是由电波和磁波共同组成,测量的数值,以及空间对磁场的介电常数,决定了光速大小。

然而,有些科学家对此表示怀疑。斯坦福直线加速器中心(SLAC)国家加速器实验室的粒子物理学家杰·瓦克尔(Jay Wacker)表示,他对研究所使用的数学方法并不是很确定,两篇文章中科学家所采用的数学工具似乎并非是大多数科学家所常用的。“进行这类研究最合适的工具是费因曼图,”瓦克尔说道。“(光速)的确是个有趣的问题,”他补充说道。但两篇研究所使用的工具似乎并不足以调查这一问题。

另外一个存在的问题便是,是否真的存在大量标准模型以外的粒子?如果事实如此,那么这篇文章需要谨慎的修改。但目前为止这些预测还是被证实是正确的,尤其是希格斯玻色子的发现。但这并不意味着还有其它别的粒子等待发现——如果它们的确存在,那么它们的能量可能远超过粒子加速器目前所能获得的,此外这些粒子将非常重,科学家或可能在别处发现它们的存在。

来源:凤凰科技 作者:严炎刘星


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