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光速會隨著宇宙的膨脹而變化嗎?

如何能夠使人站在水面上?為什么高處跳水會將身體拍紅?這兩個問題的答案,都是因為速度可以使水變硬。

赤腳劃水運動,就是借助摩托艇的速度,使水面變硬,使人站在了水面上。同理,如果一個人高空落水,其結(jié)果與墜落在地面上是沒有多大的區(qū)別的。

反之,同樣是赤腳劃水,河水與海水需要維持人站在水面上的速度是不一樣的。由于河水的比重較輕,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,類似速度使空間效應(yīng)變強(qiáng)的例子還有很多。比如,當(dāng)飛機(jī)的速度接近聲速時,就會使空氣的阻力迅速增大,這一現(xiàn)象被稱為聲障。如果,飛機(jī)在萬米高空飛行,由于空氣的稀薄,產(chǎn)生聲障的速度也會相應(yīng)地提高。

對于光子來說,由于其質(zhì)量非常小,導(dǎo)致其速度與空間效應(yīng)的相關(guān)性更為緊密,表現(xiàn)為光速的相對不變,即相對于一定的空間,光速與其能量的大小是相對不變的。在此,所謂相對的不變,是指不同能量光子的速度差與光速的比值近似為零。

為了避免連續(xù)的能量所導(dǎo)致的紫外災(zāi)變,德國物理學(xué)家普朗克于1900年提出,能量是不連續(xù)的,能量是由不可再分的量子及其運動所產(chǎn)生的。由此,普朗克認(rèn)為,量子的角動量相對于量子的能量具有不變性,是量子的本征參量。

于是,量子的這一本征參量被命名為普朗克常數(shù)h,約為6.623×10-27爾格秒。又由于普朗克常數(shù)h在宇宙中是普遍存在的,說明我們的宇宙是由量子構(gòu)成的。

由此,我們獲得了一個有機(jī)的量子景觀:

離散的基態(tài)量子構(gòu)成空間,受到激發(fā)的量子成為光子屬于能量的范疇,由高能量子組成的封閉體系就是基本粒子屬于物質(zhì)的范疇。

于是,物質(zhì)是我們研究的對象,空間是決定和影響物質(zhì)的存在及其行為的物理背景,物質(zhì)與空間的關(guān)系,就好比是赤腳劃水運動中人與水的關(guān)系。

于是,任何物體的外在能量都有兩種不同的存在形式,其一是相對于自身的動能,其變化由速度來表示;其二是相對于空間的勢能,其變化由弛豫時間(頻率的倒數(shù))來表示。

對于質(zhì)量較大的宏觀物質(zhì)來說,當(dāng)?shù)退贂r,空間效應(yīng)可以忽略不計,其外在能量的變化主要是以動能的形式發(fā)生的,表現(xiàn)為只與速度相關(guān),即速度是可變的;然而,隨著速度的提高,當(dāng)物體的速度接近于光速時,就會面臨光障,使該物體能量的變化過渡到以相對于空間的勢能為主,表現(xiàn)為物體的加速越來越困難,即速度是不變的。

對于質(zhì)量非常小的光子,由于在任何情況下,光子的動能都遠(yuǎn)小于其相對于空間的勢能。于是,光子的能量變化始終都是以相對于空間的勢能為主。確切地說,光子只要提高很小的速度就會使其相對于空間的勢能產(chǎn)生較大的變化,所以光子的能量變化產(chǎn)生的速度差遠(yuǎn)小于光速。這就是為什么光速具有相對的不變性。

綜上所述,光速是光子維持其相對于空間勢能的速度。只要空間不變,光速的大小就是一個不變的常量,與其能量的大小無關(guān)。

然而,隨著宇宙的膨脹,宇宙內(nèi)部的量子空間密度就會逐漸地降低,表現(xiàn)為空間量子之間的距離逐漸增大。類似水的比重降低,光子需要維持其相對于空間勢能的速度就得相應(yīng)地提高。于是,隨著宇宙的膨脹,空間密度的降低,光子的部分勢能會轉(zhuǎn)換為動能,使光速提高,從而最大限度地維持其相對于空間的勢能 。

作為題外話,微觀粒子介于宏觀物體與光子之間的情況,因而在多數(shù)情況下,微觀粒子同時擁有相對于自身的動能和相對于空間的勢能。所以,微觀粒子是二維粒子,是其自身與空間相互作用的結(jié)果,表現(xiàn)為具有波粒二象性。

微觀粒子受到空間波動影響的物理機(jī)制是,類似花粉在水中的無規(guī)運動(布朗運動 ),由于?微觀粒子的半徑遠(yuǎn)小于空間量子的間距,從而使微觀粒子受到空間量子的不對稱碰撞。這就好比是,一個人穿過人群密集的鬧市,其行走的路線是不規(guī)則的曲線。

為了使我們對光速的變化,有一個全面的了解,我們可以從極限的角度來看看光速是如何變化的。

從極端的角度來說,在宇宙大爆炸之初,空間密度近似于無限大,作為宇宙內(nèi)部空間傳播速度的光速趨近于零。如果宇宙無限膨脹,使其空間密度接近于零時,則光速將達(dá)到最大值,其能量完全以動能的形式存在,由狹義相對論的情況過渡到經(jīng)典力學(xué)的情況。

由此,我們可以認(rèn)識到,經(jīng)典力學(xué)是一個一維的物理理論,即是一個忽略空間效應(yīng)的理想物理理論。

于是,宇宙中的各種物體及其各種物理現(xiàn)象,獲得了有機(jī)的統(tǒng)一。光速不變的特殊性,只是宇宙相對穩(wěn)定的表面現(xiàn)象。在本質(zhì)上,光子與其他物體一樣,其速度也是可變的。因此,光速并不是宇宙的常數(shù),而只是反映宇宙演化的一個具體的物理參變量,與空間的量子密度成反比關(guān)系。

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