光速

若昂·马盖若开始怀疑爱因斯坦的那一天，开局并不顺利。那是1995年剑桥大学一个多雨的冬日早晨，马盖若当时是理论物理学的研究员。他拖着宿醉的身体，嘴里嘟囔着，穿过一片湿漉漉的足球场，突然一个异端的想法让他停下了脚步：如果爱因斯坦错了呢？如果光速不是永恒不变，而是可以改变的呢？马盖若站在倾盆大雨中。那会意味着什么？

在这一奇特想法介入之前，马盖若一直在思索宇宙历史上最关键的时刻，即大爆炸后10^-37秒到10^-34秒之间一个难以想象的短暂瞬间。在那个微小的间歇期，大多数理论家都认为，宇宙第二次爆炸，其大小反复翻倍，直到一个比单个质子小得多的宇宙膨胀到葡萄柚大小。从那时起，它就一直在膨胀，尽管速度更为悠闲。这种被称为暴胀的原始增长爆发，在过去20年中主导了宇宙学理论，因为它解释了宇宙今天为何呈现出我们所见的样子。

但马盖若从不喜欢暴胀理论。宇宙从亚原子尘埃在不到万亿分之一的万亿分之一秒内膨胀开来的想法，在他看来充其量是不太可能的，而且该理论存在明显的漏洞。它依赖于一个神秘的暴胀场和一个被称为暴胀子（inflaton）的奇怪反引力粒子，两者都从未被探测到。马盖若认为一定有更好的解释，在八年前那个潮湿的冬日早晨，他想到了。宇宙学家如果能放弃他们最神圣的法则之一：光速过去、现在和将来都将是每秒186,282英里，那么他们就不需要援引暴胀理论了。

马盖若现在相信，在时间之初的几个瞬间，宇宙的极端高温使得光子——光的粒子——以远超每秒186,282英里的速度，几乎以无限的速度飞驰。然后，随着宇宙开始膨胀和冷却，其物理性质突然改变，就像水在冰点突然变成冰一样。当温度下降到临界转变值以下时，光以我们现在观察到的较低速度“冻结”了。

“这是对物理学框架的一种残酷行为，”他承认。“你与爱因斯坦的相对论相冲突——这是最基本的。你必须小心。”

马盖若的想法受到了一些物理学家的猛烈抨击，但没有人质疑他的才华。甚至在他提出替代光速理论之前，他就已经是英国最有前途的物理学家之一，获得了一系列享有盛誉的奖学金。“若昂相当勇敢，”最近从多伦多大学退休的理论物理学家约翰·莫法特说。“他正在挑战极限，说：‘让我们看看我们能从中得到什么。’他没有仅仅遵循常规路线。”

具有讽刺意味的是，艾伦·古斯也可以这样说，他作为斯坦福直线加速器中心的一位年轻物理学家，创造了暴胀理论。古斯的想法在1970年代末首次提出时，显然是离经叛道的。现在，有诱人的线索表明，马盖若可能也取得了一些进展。一位澳大利亚天文学家的观测至少间接表明，光速在过去120亿年中可能确实发生了变化。如果这些结果成立，其意义甚至比马盖若那天早上在足球场上想象的还要丰富：黑洞可能仍然是黑色的，但它们不再是“洞”；星际旅行可能不再是遥不可及的梦想。该理论甚至预测了宇宙可能如何终结——以及它可能如何重生。

马盖若是一位35岁的英俊男子，笑容和蔼，黑发修剪整齐，身材健壮，这是多年空手道练习的成果。他出生在葡萄牙埃武拉，一个里斯本东南边的小镇，历史可追溯到罗马时代以前。他的父亲是古典学教授，但马盖若从小就对科学产生了兴趣，14岁时就掌握了爱因斯坦的相对论。到他获得博士学位时，他在物理学方面的成就令人印象深刻，剑桥大学授予他一项奖学金，该奖学金此前曾授予诺贝尔奖获得者阿卜杜斯·萨拉姆和帮助建立量子理论的英国物理学家保罗·狄拉克。

马盖若自称是个无政府主义者——他讨厌会议和官僚主义——但他很快适应了剑桥大学的严谨和古怪。他记得曾听说一名学生援引一条模糊的、有数百年历史的大学规定，在考试时要求并获得了一杯啤酒。然而，还是有限度的。

“在物理系走廊里，我会把我的宏大想法告诉所有人，”马盖若说。“反应非常消极。人们要么大笑，要么看我像疯子一样。通常物理学家天生就很好奇。但这并没有激起他们的好奇心。唯一激起的是笑声。”当马盖若开始将他的理论称为VSL，即变光速的缩写时，一位物理学家打趣说，这实际上是“非常愚蠢”（very silly）的缩写。

这种轻蔑不仅威胁到马盖若的自尊。他在剑桥大学的研究职位即将结束，他需要找到一个永久的学术职位。确信如果他公开追求自己的理论，没有大学会聘用他，马盖若转而专注于宇宙弦——一种可能纵横交错于宇宙的极其致密的物质和能量线。“我必须找份工作，”他说。“这就是我暂时搁置我的理论的主要原因。”当时，许多理论家认为宇宙弦可能为早期宇宙的发展提供一种非暴胀的解释。马盖若的研究似乎表明并非如此——尽管宇宙弦可能存在，但它们无法取代暴胀。“我写了一篇论文，对宇宙弦造成了致命打击，”他开玩笑说。尽管如此，如果不是意外的恩惠，他可能还会继续研究它们。1996年5月，他获得了一项享有盛誉的皇家学会奖学金。它可以在长达十年内为科学家提供充分支持，并允许他选择工作地点和研究方向。“这意味着自由，”他说。“我将长期不必承受申请工作的压力，这意味着我不需要解决所有人都希望我解决的问题。”

马盖若很快决定他受够了封闭的剑桥，搬到伦敦加入了帝国理工学院的物理系。在那里他找到了一位志同道合的同事。“我需要一个合作者，”马盖若说。“这些东西不是一个大脑的产物。理论物理学家不做实验——我们需要有人交流，有人会告诉你：这是垃圾。”

那位合作者是安德烈亚斯·阿尔布雷希特，当时帝国理工学院的首席宇宙学家。阿尔布雷希特对暴胀理论做出了关键贡献，但他不相信它拥有最终答案。“科学真正产生令人满意结果的方式是，当你有相互竞争的观点相互对抗时，”阿尔布雷希特说。“然后经过大量的努力、紧张和竞争，一个观点会明显胜出。”没有人提出过暴胀的重大替代方案。

阿尔布雷希特和马盖若起初秘密工作。如果他们要质疑爱因斯坦，他们必须在公开之前拿出一些坚实的东西。他们的想法是革命性的，但他们的方法是老式的。他们像爱因斯坦一样，在纸上或黑板上工作，押注纯粹思想的力量。“一年半多的时间里，我几乎没有做其他事情，”马盖若说。“有时候非常令人沮丧，因为对外人来说，我突然停止了生产。当然我没有，但我没有告诉任何人我在做什么。”

物理学家们认为他们的理论只影响了非常早期的宇宙。一旦光速以当前速率冻结，标准的物理定律将适用。但在那个短暂的初始时刻，可变光速将解决宇宙学的两个基本难题。

第一个问题是物理学家所说的视界问题：无论天文学家朝天空的哪个方向看，宇宙——在最大的尺度上——看起来都是一样的。星系团以惊人均匀的方式点缀着宇宙。宇宙的两端如何能如此相似？根据爱因斯坦的理论，引力，也就是决定太空中一切排列的力，以光速传播。那么，如此广阔分离的区域如何能够相互影响，而引力和其他力的影响又没有足够的时间在宇宙中往返呢？

暴胀理论通过提出宇宙区域曾经确实处于直接接触状态来解决这个问题——回溯到大爆炸后不久，宇宙只有几英寸大小的时候。暴胀只是简单地将其吹胀，保留了天文学家至今仍然看到的整体均匀性。

马盖若意识到，变光速提供了一个更简单的解决方案。如果光在早期宇宙中传播得快得多，那么引力和温度等效应也会传播得快得多，这将连接宇宙的不同区域，而无需暴胀。“那是我第一次走过那片田野时的想法，”马盖若说。“变光速实际上可以解释宇宙的宇宙统一性从何而来。”

马盖若和阿尔布雷希特理论面临的第二个挑战更为艰巨。宇宙学家称宇宙的形状是“平坦的”，这意味着它巧妙地介于两个极端之间：永恒膨胀和即将内爆。如果它含有更少的物质——因此引力也更小——来阻止其膨胀，它最终会膨胀到我们再也看不到自身星系之外的任何星系的地步。如果它含有太多的物质，它就会向自身坍塌，将一切挤压成无限致密的一点。只有含有适量物质和引力的宇宙才会减缓膨胀并达到平衡状态。

在物理学家用来描述宇宙形状的四维数学中，这三种可能性中的每一种都对应着一种独特的几何形状。一个坍缩的宇宙是四维球体的等效物；失控的膨胀会产生一个鞍形宇宙；第三种选择是平坦的，就像一个无限的平面。“我们基本上有两大灾难，大坍缩和一个空虚的宇宙，笼罩在我们头上，”马盖若说。“如果任其发展，宇宙真的想陷入灾难。”

通过在大爆炸后极大地增加宇宙的尺寸，暴胀避免了这两种灾难。它以一次宏伟的爆发拉伸了时空——想象一个鞍形或球体被从四面八方拉伸，直到它完全变平。但是，光速的变化如何可能影响宇宙的平坦度呢？

尽管尝试了数月，马盖若和阿尔布雷希特仍未能找到答案。他们尝试的一切似乎都产生了毫无意义、自相矛盾的方程式。“一旦你在任何物理理论中允许光速变化，它就会变得一团糟，超乎你的想象，”马盖若说。

最令人担忧的一个障碍是。通过让光速随时间变化，VSL理论打破了另一个基本定律：能量守恒。在传统物理学中，宇宙中的总能量永远不会改变。在电子和中子的尺度上，能量和物质粒子可以凭空自发产生，但只持续短暂的瞬间，然后它们又迅速消失。马盖若和阿尔布雷希特的理论并非如此。能量可以从真空中出现并永久留在宇宙中。它也可以耗散到真空中，永远离开宇宙。

这可是个坏消息。除了改变光速之外，马盖若和阿尔布雷希特希望尽可能少地影响传统物理学。他们最不想做的就是违反另一项基本定律。他们陷入了僵局。

1997年4月，马盖若离开伦敦，前往印度西海岸的前葡萄牙殖民地果阿度假三周。如果说我们生活在一个平坦的宇宙中，那么果阿的大部分地区似乎都拥有自己的宇宙，一个特殊的时空，在那里1960年代从未结束。“那是个有趣的地方，非常迷幻，”马盖若说。“嬉皮士的场景完全疯狂。有些人住在树顶上，全身赤裸地四处走动。”

这正是马盖若所需要的。放松几天后，他发现自己在菜单上涂鸦，在餐巾纸上写方程式。“我大部分的见解都来自这个时期，”他说。“这种情况经常发生。你尝试再尝试，但不起作用。你停止思考它，然后它就来了。”回到伦敦，马盖若告诉阿尔布雷希特他的新灵感：平坦度问题的解决方案就在于能量守恒的那些看似是问题的地方。

马盖若的推理，讽刺地回溯到爱因斯坦。根据广义相对论，空间不是一个广阔空旷的剧场；它更像一个起伏的景观，一个布满行星、恒星和星系的宇宙地形。行星的质量或星系的能量越大，时空的曲率就越深。在爱因斯坦之前，天体被认为是在太空中移动时受到神秘引力的拉扯和牵引。在爱因斯坦之后，它们只是遵循时空的无形轮廓，陷入小行星周围的浅槽，或坠入恒星周围的深谷。甚至光线在经过恒星时也会偏转：1919年日全食期间，天文学家观察到来自遥远恒星的光线在经过变暗的太阳时弯曲，证实了爱因斯坦的理论。

如果能量和物质扭曲时空，那么在马盖若的理论中，能量和物质的自发产生或毁灭将相应地改变宇宙的曲率。他的宇宙有点像一个巨大的弹簧：当被拉伸或挤压时，它自然希望恢复其原始形状。由于通过可变光速产生和毁灭能量，宇宙自发地反弹到一个平坦的时空。

根据马盖若的方程，它这样运作：如果新生宇宙有太多的物质，其过剩的物质会转化为能量，而能量则简单地消失在真空中。更少的物质意味着更小的曲率，因此宇宙会变平。如果宇宙在时间之初物质太少，并且即将被吹开，那么它会从真空中吸取能量——从而增加质量。质量的增加会抑制失控的宇宙，再次使其变平。

马盖若赶紧指出，能量守恒只在宇宙极早期（也许在遥远的未来还会再次发生）被违反。在所有其他时间，物理学的常规定律都成立。至于真空本身——这个自发产生和毁灭能量的奇怪区域——马盖若对其的描述并不像看起来那样机会主义。许多物理学家认为真空是一个巨大的能量储存库，而不是虚无的精髓。它甚至可能是所谓的暗能量的来源，这些暗能量似乎推动着宇宙的膨胀。

他们的理论完成后，马盖若和阿尔布雷希特准备公之于众。1997年，他们向《物理评论D》期刊提交了一篇题为“变时速光速作为宇宙学问题的解决方案”的论文，该期刊曾于1981年发表了艾伦·古斯关于暴胀理论的开创性论文。编辑们自然对一篇声称重新解读爱因斯坦的文章持怀疑态度，在接受之前要求进行数次修改。“这是一场长达一年的斗争，”马盖若说。“通常你会在一个月内通过一篇论文。一年是非常病态的。”

当这篇论文最终于1999年1月发表时，马盖若和阿尔布雷希特为即将到来的批评浪潮做好了准备。“我认为这是一个巨大的倒退，永远不会流行起来，”剑桥大学宇宙学家尼尔·图罗克说，他恰好也是马盖若的好朋友。“暴胀理论比变光速理论在理论上更有价值。”

芝加哥大学宇宙学家迈克尔·特纳认为，任何替代暴胀的理论，只有能解释暴胀所能解释的所有宇宙学奥秘时，才能被认真对待。“我认为我们现在可以说，暴胀理论在很大程度上揭示了早期宇宙的真相，”他说。“请注意，我说的是‘很大程度上’，而不是‘全部’。它已经通过了一系列测试。问题是，真理的程度是多少？要让另一个理论进入大门，你至少必须与暴胀理论保持一致，而第一步就是能够做出预测。”

马盖若说他的理论可以与暴胀理论的成就相媲美，并坚称暴胀理论的基础摇摇欲坠。“暴胀场是一个没有人见过的神秘事物，”他说。“VSL恰恰相反。我们没有在宇宙中引入任何新成分。我们只是说早期的物理学是不同的。”此外，他说，将一个有二十年历史的理论（如暴胀）与他刚诞生的想法相比较是不公平的。“事物刚来到这个世界时通常都不太漂亮。人类如此，万物皆如此。然后我们开始成长。这里那里长出几根毛发；事情开始变得好起来。”

马盖若的“孩子”在两年前开始变得好看起来。那时，澳大利亚悉尼新南威尔士大学的天文学家约翰·韦布的一项发现登上了世界各地的新闻头条。“如果结果是正确的，”特纳说，“这无疑是过去100年中最重要的发现之一。”

韦布使用了世界上最强大的望远镜——位于夏威夷大岛海拔13,796英尺冒纳凯阿山顶的凯克望远镜——收集的数据。他观测了来自68颗类星体（极其明亮的年轻星系）的光线，这些类星体距离地球远达120亿光年。在光线漫长的地球之旅中，它穿过了星系际气体云。在此过程中，光线的光谱发生了变化，具体取决于气体云中的化学元素。

这种光谱位移的细节通过所谓的精细结构常数进行数学表达，该常数由四个组成部分构成，其中包括光速。无论在哪里或何时测量，这个常数都应该保持不变——这就是为什么它被称为常数。但韦布发现了不同之处。在星系际云中，这个“常数”比预期值小了十万分之一。这意味着精细结构常数的一个或多个元素——可能是光速——一定以相同的量发生了变化。如果光在120亿年前，当它离开韦布研究的最遥远的类星体时，确实传播得那么快，那将与马盖若的理论一致。这种差异可能看起来微小，但它让全世界的物理学家都震惊了，包括它的发现者。“我绝对震惊了，是的，”韦布说。“我当然没想到。”

然而，许多物理学家仍不愿放弃爱因斯坦。“他们正在研究的是复杂的系统，”尼尔·图罗克说。“各种问题都可能发生。气体云可能是湍流的；云中可能有块状物、喷流和流。这些都会影响韦布的测量结果。就我个人而言，我认为如果我们想要相信如此重要的结果，我们需要一种更干净的方法。”

韦布同情批评者。“我常想，这结果太离谱了，一定是错的，”他说。“但话说回来，当你回顾物理学过去100年里发生的事情，甚至在更早的时候，也曾出现过同样——至少同样——离谱的结果。”

无论对错，韦布的结果激起了人们对马盖若工作的浓厚兴趣。他曾只有一个合作者，现在在全球各地有几位。在过去两年里，马盖若一直与多伦多附近 Perimeter Institute 的顶尖理论物理学家李·斯莫林合作。马盖若和斯莫林正在探索变光速理论是否能帮助物理学家实现一个难以捉摸的目标：将量子力学的微观世界与广义相对论描述的宇宙领域统一起来。马盖若怀疑，物理学家若不打破规则，将永远无法统一这两种理论。他提到了他在剑桥的前辈狄拉克。“狄拉克认为，假设自然法则从未改变是完全荒谬的，”他说。“宇宙可能正试图告诉我们一些事情。”

在一个下着雨的十月下午，马盖若坐在帝国理工学院的办公室里，思考着宇宙的终结，就像他曾经思考它的开端一样。天文学家最近发现，宇宙的膨胀速度似乎正在加速，这可能由大约150亿年前塑造宇宙的相同真空能量驱动。根据马盖若的计算，这种膨胀速度的激增只是遥远未来真空能量另一次巨大注入的前奏。当这种情况发生时，宇宙将基本上经历另一次大爆炸。这种大爆炸、膨胀、大爆炸的序列将永无止境。如果变光速理论是正确的，那么宇宙是永恒的。

一通电话打断了他的思绪。马盖若兴奋地讲了几分钟，然后挂断了电话。“那是约翰·巴罗，”他说。巴罗是剑桥大学的物理学家，他告诉马盖若一个研究团队可能能够创造出韦布测量光谱位移的地球版本。研究人员不会像韦布那样寻找数十亿年来的变化，而是会建立一个为期两年的桌面实验。由于韦布的结果表明光速在120亿年中只下降了十万分之一，两年内的任何变化都将更加微小——而且极难测量。但由于实验将在地球上进行，结果将更具说服力——并且可以由其他物理学家重复。

“瞧，”马盖若说。“一个电话就能改变一切。仅仅几分钟前，我从未想过地球上的实验会成为可能。这是一个令人惊讶的世界。”他摇了摇头，回想起八年前那个下雨的早晨。“也许如果我没有宿醉，我永远也不会想到这个。”

星舰、弦和高速太空旅行

爱因斯坦的定律并非完全排除星际旅行的可能性，但它确实使得星际旅行极不可能。任何潜在的星舰舰长都面临两个障碍。首先，没有任何物体能以超过光速的速度旅行。由于离地球最近的恒星大约在四光年之外，即使一艘以光速一半速度飞行的飞船也需要八年才能完成旅程。（这样的星舰将比在轨道上的航天飞机快约18,000倍。）其次，爱因斯坦的狭义相对论规定，以接近光速移动的火箭上的时间流逝速度会比地球上慢得多。所以即使我们能建造快速的星舰，有人会想乘坐它们旅行吗？

“星际旅行的问题实际上不是路途遥远——而是回来后发现对你来说是一年的时间，地球上却过去了100万年。这非常令人沮丧，”物理学家若昂·马盖若说。

幸运的是，马盖若的变光速理论可以利用爱因斯坦不可逾越的规则中的一个漏洞。马盖若承认这个想法异想天开——他只是为了好玩才追求它。但它在他的理论框架内是数学上一致的。他称之为“高速空间旅行”。在这种情况下，“轨道”是宇宙弦：大爆炸遗留下来的、比原子还细的浓缩能量线。目前还没有人观测到宇宙弦，但一些理论预测它们应该纵横交错于宇宙。一根三英尺长的宇宙弦的重量大约相当于地球。

根据马盖若的计算，宇宙弦附近的光速会急剧增加：一艘沿着这些“快车道”行驶的飞船可以远远超过标准光速——每秒186,282英里——同时仍然以宇宙弦周围加速光速极限的一小部分速度行驶。狭义相对论的定律仍然成立——对旅行者来说时间会变慢。但由于他们将以宇宙弦光速极限的一小部分速度行驶，这种效应将被最小化；宇航员可以前往恒星并返回地球，发现只过去了几个月，而不是几个世纪。

如果黑洞根本不是“洞”呢？

在传统物理学中，光会直接落入黑洞——就像任何其他在时空中那些深渊附近徘徊的东西一样——并且再也出不来。但在马盖若的宇宙中，情况并非如此。根据他的计算，如果变光速理论最终被证明是正确的，那么光会在黑洞的边缘完全停止；它会冻结，永不进入黑洞。此外，由于没有任何东西能比光速更快地移动——即使在马盖若的理论中——所有其他运动也会在黑洞表面停止。没有任何东西会掉进去。所以黑洞根本不是“洞”。

“黑洞就像空间的边缘，”马盖若解释说。“什么都出不来，但什么也进不去。”

如果一名不幸的宇航员沿着宇宙弦旅行时，突然转向靠近黑洞，飞船会显得越来越慢。黑洞将永远留在远处，成为一个遥不可及的障碍。