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還沒有談到光速。別急，我們前面的討論只是熱身活動，你很快就看到我們?yōu)槭裁醋鲞@些熱身。電子的質量和電荷保持原樣，這就保存了地球上幾乎所有的自然物質形態(tài)，包括那個制定標準長度的金屬棒。 為了定義速度，我們還需要制定時間的標準。一種標準是機械鐘，用鐘擺的擺動的次數(shù)來規(guī)定時間，更加時尚和精確的是石英鐘和原子鐘。既然原子沒有變化，原子的任何電磁輻射就沒有變化，用電磁輻射的頻率來定義的時間就沒有變化。現(xiàn)在，我們回到古老的光速定義：在一秒鐘內(nèi)它跑了多少米。在這個意義上，讓我們將光速降低一半。 現(xiàn)在，我們終于遇到了大問題：我們想保證質子的質量，同時還想保證質子、中子之間的相互作用能量，保證質子的質量是為了不讓太陽的質量變化，保證質子和中子之間的相互作用的能量是為了保證太陽輻射出來的能量不變，我們在前面就是這么假定的。我們能同時做到這兩件事嗎？ 最后，輪到基本粒子物理學家出場了，他們幾乎就是物理領域中最重要的人物，因為他們研究的對象最基本。當然，這么說肯定會得罪更多其他領域的物理學家，那么，就讓我們假設他們做的是最初級的工序，他們?yōu)榻ㄔO這個世界提供基本的磚瓦。  X基本粒子物理學家——或為了今后的方便我們簡稱他們?yōu)榱Ｗ游锢韺W家，他們會告訴我們，一個質子雖然由三個夸克構成，它的主要能量來自于一種最強的相互作用。一個漫畫式的圖像是，三個夸克由三根弦連接成星形，如下圖。  在這個圖中，紅綠藍三個端點代表夸克，三個棒一樣的東西代表強作用形成的弦，這些弦是質子質量的主要來源。為了保證太陽的質量，讓我們保證每根弦的質量不變。 現(xiàn)在，問題來了。如果強相互作用保持每一根弦的質量不變，那么，在質子和質子的相互作用中，所有其他形式的質量都不會改變，例如兩個質子和兩個中子結合形成的氦的質量。也就是說，氦的質量比四個質子的質量小了千分之七?，F(xiàn)在，讓我們將光速降低到一半，在氫聚變到氦的過程中釋放的能量只能是原來的四分之一。這樣，太陽輻射的能量只能是原來的四分之一。為了保證地球的溫度，我們只能希望地球到太陽的距離近了一半，這樣，光的速度雖然降低了，還是花8分19秒從太陽到達地球。 所以，本章開頭的第一個質問成立。我們不能既保證質量不變又保證能量不變，天下沒有免費的午餐。第三個質問也成立，所有星星的亮度都減低了，現(xiàn)存的望遠鏡能夠看到的星星少了很多。第二個質問不成立，即使可見光的波長變短了，人類還是能夠看到這些光。 前面，我們從太陽系和人的角度來看改變光速的后果。下面，我們再從宇宙歷史的角度來看改變光速的后果。 現(xiàn)在還不到談論宇宙演化背后原因的時候，幸運的是，我們不需要知道大爆炸理論以及難懂的愛因斯坦新萬有引力理論也能勾勒出光速改變的后果。 宇宙就像一個黑洞歷史的倒敘，黑洞是一團物質坍縮成而成，對于這些物質來說，在坍縮的最后一刻，它們都在一個奇點會合，從此沒有人能夠知道它們接下來的命運。如果我們將這個過程反演，所有的物質莫名其妙地從一個奇點冒出來，以驚人的速度冒出來，然后，物質所占的范圍越來越大，假如它們足夠幸運，就會像我們的宇宙一樣，在137億年前從一個奇點冒出來，現(xiàn)在長成一個巨大的宇宙。這個宇宙到底有多大？沒有人知道，甚至連宇宙學家中的最頂尖的人也不知道，盡管他們多年來不斷地寫論文揣測真正的宇宙到底有多大。 盡管我們也許永遠不會知道真正的宇宙到底有多大，宇宙有兩個尺寸是可以肯定的，宇宙學家在不同的場合會用到。 第一個尺寸就是，我們現(xiàn)在看到的宇宙有多大。由于光速是有限的，我們現(xiàn)在看到的宇宙，不是同一時刻的宇宙。前面說過，你現(xiàn)在閱讀的這些字發(fā)出來的光大約是1.7納秒之前發(fā)出來的。你看到的月亮是一秒前的形象。你看到的太陽是8分19秒前的太陽。肉眼依稀可見的仙女座大星云其實距離我們有254萬光年之遙，也就是說，你看到的朦朧的霧狀物其實是仙女座在254萬年前的樣貌。既然有限時間之前宇宙才從一個奇點爆發(fā)出來的，那么我們最多只能看到宇宙爆發(fā)時發(fā)出的光。這個時間到底有多久遠？最新的數(shù)據(jù)是138億年，這個數(shù)字將來還會變化，我們希望變化不會太大。無論如何，你看到最遠的地方是138億年前發(fā)出光的天體。 這些天體有多遠？這取決于宇宙是如何膨脹的。假如宇宙中只有物質，沒有所謂的暗能量，宇宙學家經(jīng)過簡單的計算會告訴我們，你看到的天體現(xiàn)在相距我們有3倍的138億光年那么遙遠。為什么是3倍而不是138億光年？假如宇宙是靜止的，138億年前發(fā)出的光子旅行的距離當然是138億光年?？墒怯钪嬉恢痹谂蛎?，那個發(fā)出光子的天體在發(fā)出光子之后一直遠離我們而去。我們做一下簡單的換算，3個138億光年就是近似4乘10的23次方公里。這就是我們現(xiàn)在能夠看到最遠的地方。如果我們將暗能量對宇宙膨脹的作用考慮進去，最遠天體的距離比這個數(shù)字稍微大一點，只大了十分之一左右。 如果光速只有現(xiàn)在的一半，也許你會猜測，我們看到的最遠的天體沒有這么遠，因為光速小了一半，那么最遠的距離應該只有前面數(shù)字的一半，也就是2乘以10的23次方公里。恭喜你答對了。在宇宙膨脹的歷史中，萬有引力在起作用，牛頓的老理論還可以用，這個理論不涉及光速，因此宇宙的膨脹只與物質的密度有關，而我們前面假設了物質的質量不變，從而密度也不變。 我們目前看到的最遠的天體只能有4乘10的23次方公里那么遙遠。再過一百億年之后呢？那時的人類（假如還存在的話）看到的光已經(jīng)在宇宙中旅行了238億年，當然這束光來自更加遙遠的天體，那個時候，我們的后代看得更遠了。 宇宙還有第二個尺寸。這個尺寸對部分宇宙學家來說很重要，對另一部分宇宙學家來說也許一點也不重要。為什么？這和宇宙在未來的命運有關。 我們說過，宇宙就像黑洞坍縮敘事過程的反演，黑洞從占領一個很大區(qū)域的塵埃慢慢坍縮成黑洞，而宇宙是從一點爆發(fā)出來，慢慢成為我們現(xiàn)在看到的宇宙，這個宇宙中每一個星系也可以看成一粒塵埃，畢竟宇宙太大，星系雖大但遠遠沒有宇宙大。 很多人知道，在黑洞之外的人永遠不會知道黑洞內(nèi)部發(fā)生著什么，因為即使光也不能逃離黑洞，從而沒有信息能從黑洞逃離出來。物理學家將光都不能逃離的區(qū)域的邊界稱為視界，十八世紀的法國數(shù)學家兼天文學家拉普拉斯就知道了這個邊界。一百多年后，比愛因斯坦稍稍年長的德國天文家兼物理學家史瓦西也知道。雖然一個只知道牛頓的古老理論，一個知道愛因斯坦的新理論，他們得到的結果是一樣的，黑洞的視界與萬有引力常數(shù)以及黑洞質量成正比，與光速平方成反比。 對于拉普拉斯來說，獲得這個結果的過程很簡單，他要求光能夠克服萬有引力的勢能逃離出來，這就要求光的動能不能小于引力勢能。引力勢能距離黑洞越近就越大，因為它與距離成反比，但光的動能不變，必定存在一個最小的距離，在那里引力勢能正好等于動能。這個最小的距離就是視界。假如光的能量與光速的平方成正比，而引力勢能與引力常數(shù)以及黑洞質量成正比，我們就推出了結論：黑洞視界與萬有引力常數(shù)以及黑洞質量成正比，與光速平方成反比。固定黑洞質量，降低光速，我們其實提高了視界的大小，光速減低到一半，視界變成原來的四倍。 我們既可以將宇宙看成黑洞的反演，我們還可以將看到的宇宙比喻成黑洞的內(nèi)部，也就是說，宇宙存在一個邊緣，這個邊緣就是正在反演的黑洞的視界。站在黑洞外邊的人永遠不能再看到落入黑洞的物體，與黑洞類似，而我們，站在宇宙內(nèi)部的人永遠不可能再看到“落出”宇宙之外的物體，這個邊界就是視界。任何物體一旦跑出視界，我們永遠不會再看到它了，永遠。這個邊界是宇宙旅行告別邊界。  （宇宙存在一個邊界，這不是一個實體邊界，而是我們的觀測邊界，有點像風平浪靜的海面上的地平線，超出這個邊界我們什么也看不到，哪怕你活到永遠，等上不論你等上多久） 前面說了，固定黑洞的質量，將光速減低一半，視界變大四倍?，F(xiàn)在你可能不假思索地說，降低光速，宇宙的告別邊界也會增大。錯了。 為什么錯了？如果你將邊界變大，你就不可能固定宇宙的總質量，宇宙的總質量與邊界內(nèi)的體積成成正比，因為宇宙中的星系密度大約是不變的。增大邊界，就增加邊界之內(nèi)的星系，從而增加了總質量。結論是，我們只能固定宇宙的質量密度，這么做的后果是，宇宙的邊界與光速成正比，如果光速減低一半，宇宙的告別邊界也降低一半。盡管我們現(xiàn)在的航天事業(yè)才剛剛起步，我們可不希望我們被限制在一個更小的宇宙中。 宇宙的膨脹速度不斷地增加，這是暗能量在作怪。人們將這個現(xiàn)象稱為宇宙加速膨脹，而宇宙加速膨脹的后果是，宇宙更加像一個黑洞的內(nèi)部了，不僅僅是類似黑洞，也許就是一個黑洞的內(nèi)部。這樣，確實存在一個告別邊界，我們，以及我們的后代永遠不能看到這個邊界之外，這是一個宿命式的限制，和前面說的當下看到最遠的距離完全不一樣，那個距離僅僅與現(xiàn)在有關，而告別邊界一旦存在，它就永遠存在。即使你能活一億億年，你的目光也只能局限在這個邊界之中。 有一部分宇宙學家相信，這個邊界與與暗能量有關，也許與創(chuàng)世有關，與宇宙為什么存在有關，它就像一個籠子，將我們關在里面。如果真的如此，請不要將光速降低，那樣的話這個籠子就更小了。 |
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