3.19 测量光速不变

目录 ／ 附录-4.《第3季：光和时间》短视频草稿 (V5.2)

如果我现在告诉你，“能量丝理论认为”我们所有实验里测出来的光速c根本就像一块印得很死的标签，表面上永远一样，可宇宙里光真正能跑到的极限速度却在几十亿年的长时间里一点点改变，你会不会突然觉得以前背下来的那些物理定律好像只是看到了宇宙的一张照片而不是真实的视频？先从宇宙最大的一块问号说起，很早很早的时候，整个宇宙到处都是滚烫得吓人的能量，就像一口刚烧开的巨大高压锅，锅里全是沸腾的汤，后来温度慢慢降下来，今天我们在天空背景里接收到的那层宇宙微波信号，其实就像这口锅冷下来后留在锅壁上的一层“温度油渍”，是一张古老时刻的温度合影。奇怪的是，这张合影在各个方向看过去几乎一样暖，像一个刚关掉空调的大房间里，连最角落的空气都一样温，可按照普通课本里的讲法，当时宇宙各处根本来不及互相沟通温度，于是就只好引进一个叫暴涨的剧情，好像宇宙忽然被打气筒拼命一冲，先在极短时间里放大到不可思议的尺寸，再慢慢演化。这个故事当然可以用公式写得很漂亮，但在里面光速更像一个被牵着走的配角，只是被安排在别人写好的剧本里跑龙套，而不是自己决定整个舞台能不能互相看见。现在换个视角来看这件事，想象宇宙不是一片空空的舞台，而是一整锅正在熬的浓汤，汤里密密麻麻漂着无数细细的能量丝，像一大团被搅拌得乱七八糟的面条，这些面条互相缠绕拉扯，织成一片巨大的能量海。海越紧，像琴弦被拧得越紧，细丝上的动作就能传得越快，在这片海里沿着丝线抢着往前跑的那个动作接力上限，就是光真正能达到的极限速度。宇宙刚诞生那会儿，这锅汤又浓又紧，能量海绷得就像被人把鼓皮一次次上紧，动作的接力几乎是现在难以想象的迅猛，光和各种粒子发出去的信号完全有时间在各个方向互相“打招呼”，把热点的能量均匀地摊开，把冷点慢慢填平，所以等到那张宇宙微波合影被“晒”下来的时候，背景温度看起来才会那么整齐，根本用不着再额外编一个宇宙瞬间暴涨的桥段。说到这里，你可能会立刻反问，如果真实的光速在宇宙长河中真的变过，为什么我们在地球上做了上百年实验，怎么测都是那一串精确到可怕的小数点后好几位的c，难道全世界的物理学家都被同一个错觉骗了吗？关键就在于，我们以为自己在量“光本身跑得多快”，但真正做的，其实是量“光和我们这套尺子加钟之间的比例”，而这套尺子和钟，全都是从那锅宇宙浓汤里撇出来的一勺料。你拿在手里的金属尺，它的一米来自原子和分子之间那一层层平衡好的间距，你桌上的原子钟，它的一秒来自原子内部电子跳跃时候敲出的节拍，这些东西不是凭空给你的，它们就是能量丝在那片海里拧出来、冻出来的一种花纹。如果那片海整体慢慢变紧了一点，光沿着丝线的接力会变快，像琴弦绷得更紧了波动就更利索，但原子之间的间距也会随之微调，好比整块尺子被人连着里面的格子一起悄悄缩放，电子内部的节拍也会一起变，钟里每一“滴答”的意义重新被标定。于是你再拿这把已经被“改造过”的尺和钟去测同一片海里的光，就好像一个全身都是水做的人，拿着一把水做的尺子和一只水做的钟，走进一锅被煮得越来越稠的水里，水分子真实的运动速度当然变了，可尺子和钟也跟着那锅水重新被捏了一遍，当他再用尺子去量“水分子一秒跑了多远”，再用钟去记“跑完这一段路花了几秒”，最后一除，得到的仍然是同一串数字。更狠的是，我们在人类自创的计量体系里，还直接把c刻进了定义本身，用“光在真空中跑一小段路需要多长时间”来定义一米和一秒，再用这套单位回头去测“光到底跑多快”，这在逻辑上就像你先规定某一块布的宽度叫一尺，然后再拿它去给自己量腰围，最后一本正经地宣布“你看，一尺就是这么宽”，整个游戏从一开始就在验证规则是否自洽，而不是在追问宇宙里有没有一把完全不被这锅汤影响的外部标尺。那为什么粒子世界里却能看出“变”的痕迹呢？原因在于，我们观察粒子时，并不是只盯着光和它自己的尺钟，而是同时在对比一整套性质各不相同的“宇宙节拍器”，有电子的谱线，有不同原子钟的频率，有核反应的速率，有远处星系传来的分子光谱，还有氦、锂这些轻元素在宇宙中的相对丰度，它们好像一群被放在同一张鼓皮上的不同乐器，有的对鼓皮是否绷紧特别敏感，有的则迟钝一些。当能量海在漫长时间里慢慢上紧，这些乐器各自的节奏不会完全一样地跟着变，当我们用今天这套本地的尺和钟去解读那些很久以前留下来的光和粒子信号时，就会发现有些比值死活对不上，仿佛老唱片里乐队的速度和你手里新的节拍器总差半拍，这才一步步暴露出粒子属性并不是写死在宇宙说明书里的常数，而是会跟着那片海一起缓慢地改写。这样一来，实验室里测到的光速c依然可以在每一个局部惯性参考系里严格保持同一个数值，相对论真正要求的只是“你在本地坐着或者匀速运动时，用自己的尺和钟测到的光速永远一样”，而我们的身体和仪器从头到脚都泡在同一锅宇宙浓汤里，就算那锅汤在更长的时间尺度上慢慢变稠或变稀，本地这套测量游戏在每一刻看上去都能自圆其说。真正被悄悄改写的，是那片能量海本身的张紧程度，是几十亿年历史里“鼓皮”到底上紧了多少圈或者放松了多少圈，如果能把不同时代留下来的宇宙信号像老磁带一样摆在一起对比，你会发现早期宇宙那面“鼓”的皮更紧，动作传得更快，光在那样的舞台上完全来得及让遥远区域互相看到对方，很多看似需要额外强行加剧情才能解释的宇宙难题，其实都有机会回到一个更直接、也更形象的画面里。到最后，那句“光速不变”听起来就不再像是一条关于宇宙本体的铁律，而更像是一句关于我们测量方式的备注，意思是只要你和你的仪器都是被同一片能量海一起塑造出来的，你量到的那串c就会固执地保持不变，真正关于宇宙自己有没有在慢慢改写速度上限的答案，则被悄悄藏进了那些远古光线和粒子身上细小却顽固的偏差中，被刻进了一层又一层时间留下的指纹里。点个关注，转发出去，我们用系列新物理科普带你看清整个宇宙。