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光速会随着宇宙的膨胀而变化吗?
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2023.02.06 江苏

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如何能够使人站在水面上?为什么高处跳水会将身体拍红?这两个问题的答案,都是因为速度可以使水变硬

赤脚划水运动,就是借助摩托艇的速度,使水面变硬,使人站在了水面上。同理,如果一个人高空落水,其结果与坠落在地面上是没有多大的区别的。

反之,同样是赤脚划水,河水与海水需要维持人站在水面上的速度是不一样的。由于河水的比重较轻,所以河水需要更高的速度才能使人站在水面上。

在自然界中,类似速度使空间效应变强的例子还有很多。比如,当飞机的速度接近声速时,就会使空气的阻力迅速增大,这一现象被称为声障。如果,飞机在万米高空飞行,由于空气的稀薄,产生声障的速度也会相应地提高。

对于光子来说,由于其质量非常小,导致其速度与空间效应的相关性更为紧密,表现为光速的相对不变,即相对于一定的空间,光速与其能量的大小是相对不变的。在此,所谓相对的不变,是指不同能量光子的速度差与光速的比值近似为零

为了避免连续的能量所导致的紫外灾变,德国物理学家普朗克于1900年提出,能量是不连续的,能量是由不可再分的量子及其运动所产生的。由此,普朗克认为,量子的角动量相对于量子的能量具有不变性,是量子的本征参量。

于是,量子的这一本征参量被命名为普朗克常数h,约为6.623×10-27尔格秒。又由于普朗克常数h在宇宙中是普遍存在的,说明我们的宇宙是由量子构成的。

由此,我们获得了一个有机的量子景观:

离散的基态量子构成空间,受到激发的量子成为光子属于能量的范畴,由高能量子组成的封闭体系就是基本粒子属于物质的范畴。

于是,物质是我们研究的对象,空间是决定和影响物质的存在及其行为的物理背景,物质与空间的关系,就好比是赤脚划水运动中人与水的关系。

于是,任何物体的外在能量都有两种不同的存在形式,其一是相对于自身的动能,其变化由速度来表示;其二是相对于空间的势能,其变化由弛豫时间(频率的倒数)来表示。

对于质量较大的宏观物质来说,当低速时,空间效应可以忽略不计,其外在能量的变化主要是以动能的形式发生的,表现为只与速度相关,即速度是可变的;然而,随着速度的提高,当物体的速度接近于光速时,就会面临光障,使该物体能量的变化过渡到以相对于空间的势能为主,表现为物体的加速越来越困难,即速度是不变的

对于质量非常小的光子,由于在任何情况下,光子的动能都远小于其相对于空间的势能。于是,光子的能量变化始终都是以相对于空间的势能为主。确切地说,光子只要提高很小的速度就会使其相对于空间的势能产生较大的变化,所以光子的能量变化产生的速度差远小于光速。这就是为什么光速具有相对的不变性。

综上所述,光速是光子维持其相对于空间势能的速度。只要空间不变,光速的大小就是一个不变的常量,与其能量的大小无关。

然而,随着宇宙的膨胀,宇宙内部的量子空间密度就会逐渐地降低,表现为空间量子之间的距离逐渐增大。类似水的比重降低,光子需要维持其相对于空间势能的速度就得相应地提高。于是,随着宇宙的膨胀,空间密度的降低,光子的部分势能会转换为动能,使光速提高,从而最大限度地维持其相对于空间的势能 。

作为题外话,微观粒子介于宏观物体与光子之间的情况,因而在多数情况下,微观粒子同时拥有相对于自身的动能和相对于空间的势能。所以,微观粒子是二维粒子,是其自身与空间相互作用的结果,表现为具有波粒二象性。

微观粒子受到空间波动影响的物理机制是,类似花粉在水中的无规运动(布朗运动 ),由于微观粒子的半径远小于空间量子的间距,从而使微观粒子受到空间量子的不对称碰撞。这就好比是,一个人穿过人群密集的闹市,其行走的路线是不规则的曲线。

为了使我们对光速的变化,有一个全面的了解,我们可以从极限的角度来看看光速是如何变化的。

从极端的角度来说,在宇宙大爆炸之初,空间密度近似于无限大,作为宇宙内部空间传播速度的光速趋近于零。如果宇宙无限膨胀,使其空间密度接近于零时,则光速将达到最大值,其能量完全以动能的形式存在,由狭义相对论的情况过渡到经典力学的情况

由此,我们可以认识到,经典力学是一个一维的物理理论,即是一个忽略空间效应的理想物理理论。

于是,宇宙中的各种物体及其各种物理现象,获得了有机的统一。光速不变的特殊性,只是宇宙相对稳定的表面现象。在本质上,光子与其他物体一样,其速度也是可变的。因此,光速并不是宇宙的常数,而只是反映宇宙演化的一个具体的物理参变量,与空间的量子密度成反比关系。

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