光速可能没那么快

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

  如果光速比我们现在认为的慢,那么就意味着所有基于光速测量的天文数据都将是错误的。

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  充满谜团的超新星

  1987年2月24日的早晨,深藏在意大利北部勃朗峰下的中微子探测器突然探测到了一股中微子爆发。大约3个小时之后,世界其他各地的中微子探测器也探测到了类似的中微子爆发。又过了大约4.7小时之后,天文学家在环绕我们银河系运行的大麦哲伦星系中,发现了一颗质量约太阳18倍的超大恒星(按分类属于一种蓝超巨星)突然爆炸了,变得比以前更亮,并向周围抛出大量物质,也就是说发生了一场超新星爆发。天文学家才明白之前的中微子爆发是由这颗超新星产生的。目前,这颗被命名为“SN 1987A”(“SN”是超新星的意思)的超新星,已经成为科学史上研究最详细的超新星。

  据测算,SN 1987A距离我们大约16.8万光年,也就是说,这次爆发是在16.8万年以前。但是,有一个谜团始终没有解开。一般认为,中微子和光子在真空中运动的速度都是光速,它们应该同时到达地球才对。可事实却是,首先出现了相隔3个多小时的两股中微子爆发,之后过了大约4.7小时才出现光信号。问题来了,是什么原因导致了光子比第一股中微子爆发晚到了大约7.7个小时?

  根据现有的有关超新星的研究结果,科学家认为,超新星的爆发是从星体内核坍缩开始的,这里会产生大量的中微子和光子。然而,内核的高密度物质会拖慢光子的射出,对于SN 1987A,会拖慢大约3个小时。相反,中微子跟其他物质的相互作用极其微弱,所以它一旦出现就会立刻向外辐射出去。另外,许多天体物理学家还相信超新星会发生第二次坍缩,会产生另一股中微子爆发。所以这就是为啥在地球上会检测到两股中微子爆发。

  但是这里还是有一个问题,光子应该在第一股中微子爆发之后3小时抵达地球,而不是第二股中微子爆发之后4.7小时。由于缺乏相关的解释,天体物理学家只把这个现象当成一个巧合事件而已,尽管这种巧合事件发生的概率微乎其微。

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  光速可能没那么快

  最近,来自美国马里兰大学的物理学家詹姆斯・弗兰森对这个谜团提出了一个新的解释。他利用量子理论,计算了光在穿过由银河系产生的引力场时的运动速度,发现真空中的光速可能没有过去认为的那么快。

  弗兰森认为,研究这个超新星问题,不能忽略光子在引力场中的量子效应。他的分析过程如下:一个光子在空间中穿行时,它有一定的概率变成电子-正电子对,这个电子-正电子对只能存在很短的时间,所以说它们是一对虚粒子(虚粒子是指存在于极短的时间以及空间里、永远不能直接检测到的、但其确实存在可测量效应的粒子)。然后它们在合并在一起再次变成光子继续前进。

  因为电子-正电子对是有质量的,所以引力场会对它们有影响。粗略地讲,引力场会改变电子-正电子对的能量,会对之后所形成的光子能量产生一个小的改变,其结果是光子的角频率和动能产生一个小的修正,最终总体效应会拖慢光的速度。相反,中微子却不会受到这种效应的影响,因为它们要想变成虚粒子对得通过弱相互作用力来发生,然而这种效应极其微弱,所以可以忽略。因此中微子可以以光速运动。弗兰森计算了当光子从SN 1987A抵达地球时因这种作用产生的延迟。这些光子会受到银河系、太阳和地球的引力影响,经过计算发现,在地球的引力场内光速的变化比(光速的变化比上原来的光速)为-6.6×10-13,在太阳的引力场内为-1.01×10-11,在银河系的引力场内为-4.3×10-9。前面两个变化比很小,可以只考虑银河系的引力场。另外SN 1987A所在的大麦哲伦星系总体质量并不大,也可以忽略其引力作用。这样,弗兰森计算的结果就是,光子正好会在第二股中微子爆发之后4.7个小时抵达地球。

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  验证与后果

  那么光速真的会变慢吗?怎么验证?弗兰森认为,如果要验证的话,除了进行天文观测来寻找证据以外,也可以在实验室中来检测。例如,这种效应会对电子的一些性质产生影响。检测这种影响即可证实这种效应的存在。不过目前的实验水平还很难检测到,弗兰森希望在不远的未来可以有技术条件来检测这个效应。

  另外,如果弗兰森是正确的,那么就意味着所有基于光速的测量的天文数据都将是错误的。所以说,如果光速真的会变慢,所有天体之间的距离都得重新计算,所有描述天体运行规律的理论都得重新检测。可以说,科学家不得不对天体物理学重新研究一番。

    
    

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