摘要：光速变慢对我们有影响吗？“应该影响不大吧？毕竟光速那么快，就算它变慢100倍（0.01c）我也感觉不到啊！”如果你也是这么想的，那就大错特错了。这期内容将告诉你当光速变慢后究竟会发生什么，后果远超你的想象！

光速变慢对我们有影响吗？“应该影响不大吧？毕竟光速那么快，就算它变慢100倍（0.01c）我也感觉不到啊！”如果你也是这么想的，那就大错特错了。这期内容将告诉你当光速变慢后究竟会发生什么，后果远超你的想象！

先声明下，我知道很多人会说：“‘光速不变’是狭义相对论的根基，它怎么可能变慢呢？”没错，但这期的重点不在于纠结“光速不变”到底只是一个假设，还是已经被实验验证的事实，今天我们单纯从物理学角度出发，来看看光速的稳定到底有多重要，而光速变慢又会如何影响我们的世界。

众所周知，除了宇宙膨胀本身外，光速是宇宙中运动速度和信息传递速度的上限。然而光最特殊的地方还不在于它有多快，而是在于它是恒定不变的。注意，“光速不变”并不是说光在任何介质中的速度都一样，而是说光速它相对任何参照系都一样。

你知道这有多么反直觉么？比如说，一艘近光速的飞船和一束光同时出发，在外界观察者眼中，虽然飞船和光都是一闪而过，但如果仔细看的话，两者差不多是齐头并进的。然而对飞船中的人来说，这束光在他的眼中依旧是一闪而过。也就是说，不存在静止的光，真空中的光速永远是一个常数（c），在任何情况下、不管相对于谁（哪怕是相对于运动的光源本身）光都是每秒30万公里（近似值）。

作为物理学常数之一，光速还直接关系到物理学中另一个精妙且神秘的常数——精细结构常数（α）。从它的定义公式可以看出，精细结构常数是将电动力学中的电荷（e）、电磁学的真空介电常数（ε₀）、量子力学中的普朗克常数（h）以及相对论中的光速（c）联系了起来，它是一个根据物理现象“硬凑”出来的无量纲数，完全没法从第一原理推导出来。而对于它的值为什么约等于1/137，那更是一个未解之谜。它就像数学中的圆周率（π）一样，在各种物理场景中我们经常能看到精细结构常数的身影，比如电子的能级结构、电子的反常磁矩、电磁力的强弱，甚至于它还决定了各种耦合常数的大小。

* 科学技术数据委员会（CODATA）推荐值：1/137.035999084(21)

现实生活中，除引力外我们接触最多的、也是最能直接感受到的应该要属电磁力了。把精细结构常数代入库伦定律可以发现：库仑力的大小与精细结构常数成正比（F∝α）。而从精细结构常数的公式可以看出，它的大小又和光速成反比：光速降到1%，精细结构常数会变大100倍。那这是不是意味着：在其他参数不变的情况下，光速一旦变慢，电磁力就会变强呢？别急，再仔细看下代入后的这个公式，这里除了有精细结构常数外，还有个光速。它俩一个变大、一个变小，那结果岂不是不变？似乎哪里有问题。

这次换个思路，我们知道，电子绕原子核运动虽然很快，但它也不能超过光速。比如氢原子的核外电子，它的速度大概是光速的1/137，没错，等于光速乘以精细结构常数（v = αc）。按刚才推导，光速变小但精细结构常数变大，结果就是核外电子的速度保持不变。那么问题就来了：光速变慢但核外电子速度不变的话，那么电子就有了“超光速”的风险。为了维护最基本的因果律（不超光速），显然电子的运动速度应该也随光速变慢。

核外电子运动变慢，意味着它的动量变小了，动量变小动量不确定性也随之变小。根据不确定性原理，粒子的动量和位置是一对不对易的共轭物理量，当电子动量不确定性变小时，它的位置不确定性就会变大，带来的结果就是核外电子的运动范围变大了。电子运动范围变大，意味着原子的个头也跟着相应变大了。

具体能变多大呢？我们用氢原子来简单算一下。

根据玻尔半径公式可以看出，原子的半径与精细结构常数和光速成反比。

光速变小我们知道，精细结构常数会怎么变化呢？或许我们可以结合真空介电常数来计算。由于真空介电常数和光速的平方成反比，因此当光速降低到1%时，真空介电常数将变大10000倍。

代入精细结构常数，光速变小到1%并且真空介电常数变大10000倍，因为它俩都在分母，所以最终精细结构常数也会变小到1%。

最后代入玻尔半径公式，光速和精细结构常数都变小到1%，此时原子半径将变大10000倍。由于体积和半径的立方成正比，因此原子的个头将变大一万亿（10^12）倍，已经和尘埃差不多，肉眼可见！

假如原子结构能正常存在，所有由原子构成的宏观物体也会相应变大。此时每个人都相当于一座巨型山峰，高耸入云。地球的个头也将远超太阳，可能相当于一颗红超巨星的大小。

然而现实情况是，这些庞然大物可能根本无法存在。把精细结构常数和光速代入刚才的库仑力公式，你会发现，当它俩都变小到1%后，电磁力将变小到原来的万分之一。可别以为这只是让磁铁的吸力变弱了，要知道，电磁力可是关系到世间万物。别的不说，原子核之所以能束缚住电子组成原子，靠的就是电磁力。甚至于所有的化学反应，本质上都是不同原子的核外电子之间的电磁相互作用。可以认为，电磁力是原子组成宇宙万物的基本作用力。

所以，当电磁力被削弱到万分之一后，由于化学键无法维持，分子和晶体结构将彻底瓦解。甚至于原子核将无法再束缚住核外电子，所有的原子将不复存在。

看到了吧，物理学大厦往往环环相扣，越是底层的基础对“上层建筑”的影响越大。像一开始的假设，仅仅是改变了“光速”这一个参数，最终整个宇宙都将因此天翻地覆。好在现实世界里光速恒定不变、不多不少恰好是每秒299792458米，而这也让我们产生了一个疑问：宇宙各项参数设定得如此精妙，到底是宇宙无数次轮回的巧合，还是某种未知力量的精心策划呢？

“光速不变”说到底只是狭义相对论的一个假设，虽然大部分的实验结果都支持了该假设，但依然也存在一些例外。

2001年，一篇发表于《物理评论快报》上的文章中，澳大利亚的一组研究团队通过对类星体光谱的观测，发现精细结构常数在宇宙的历史上可能发生过变化——过去比现在要小，该结果在统计上的置信度达到了4σ，甚至当年宇宙微波背景（CMB）的数据也在一定程度上印证了该结果。如果这一切是真的的话，那这意味着光速可能真不是一成不变，它真有可能经历过变慢。

（注：其他类星体光谱以及后续更精确CMB数据不支持该结论！）

（注：以下观点并不为目前主流宇宙学理论接受！）

早在上世纪三四十年代，狄拉克曾提出过一个“大数假说（Dirac Large Numbers Hypothesis, LNH）”。他注意到，宇宙中存在一些无量纲的极大数，它们之间似乎存在着某种联系。基于该想法，他发现引力常数与宇宙的年龄成反比（G ∝ 1/t）；宇宙的质量与宇宙年龄的平方成正比（M ∝ t²）……似乎这些所谓的物理常数并不是恒定不变，实际上它们可能会随着时间变化。还记得之前“宇宙年龄翻倍”那事吗，那篇论文的作者正是受到了该想法的启发。

与之类似，“光速可变”也被一些科学家提出过。比如加拿大圆周理论物理研究所的约翰·莫法特（John W. Moffat）就曾提出过一种“超光速模型（the superluminary model）”，他认为早期宇宙的光速可能比现在要快得多。

当初，为了解决大爆炸理论中的视界问题、平坦性问题以及磁单极子这几个老大难问题，科学家曾想过各种各样的办法。其中阿兰·古斯提出的“暴胀理论（Inflation theory）”最为知名，它已经成为了解决这些问题的主流理论。古斯认为，宇宙在大爆炸初期曾经历过短暂的指数级膨胀，该过程如此之快，以至于它直接“抹平”了那些问题。但莫法特认为，也许这一切并不是因为当时的宇宙膨胀得超级快，而是因为当时的光速超级快。

莫法特认为，大爆炸初期宇宙有着极高的环境温度，当其高于某个临界温度时，狭义相对论的基础“洛伦兹对称性”产生了局部自发破缺，这将导致光速的急剧增加，甚至达到目前光速5 * 10^28倍！这种“超光速”使宇宙早期不同区域之间能够快速交换信息和物质，从而解决了视界问题。而“超光速”状态也改变了宇宙的动力学，减少了对初始条件的精细调整需求，从而解决了宇宙的平坦性问题。磁单极子问题也是一样，“超光速”抑制了磁单极子的产生，这就使得它们的密度大大降低，所以今天我们才找不到它们。

当宇宙温度降到临界值以下后，洛伦兹对称性得以恢复，光速这才降到了如今测量的这个值。倘若未来由于某种原因，洛伦兹对称性再次破缺且发生相反相变，前面设想的那些光速变慢的结果或许真有成为现实的那一天。

[1] https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.091301

[2] https://doi.org/10.1142/S0218271893000246

[3] https://arxiv.org/abs/astro-ph/9811018

来源：Linvo说宇宙