狭义相对论是人类有史以来最有效的理论之一。从太空旅行到我们的电网,这都是至关重要的。相对论的中心是,真空中的光速是绝对常数。问题是,这一事实从未得到证实。

爱因斯坦提出相对论时,是为了解释为什么光总是具有相同的速度。在1800年代后期,人们认为,由于光以波的形式传播,因此必须由某种不可见的物质(称为发光醚)来携带。原因是波浪需要一种介质,例如空气中的声音或水中的水波。如果以太存在,那么随着地球穿过以太,观测到的光速必须改变,但是观测以太漂移的测量结果为零,光速似乎是恒定的。

光波

爱因斯坦发现问题在于假设空间和时间是绝对的,光速可以变化。相反,如果您假设光速是绝对的,则空间和时间必须受相对运动的影响。几位物理学家指出,尽管相对论假设光的真空速度是一个普遍常数,但它也表明速度永远无法测量。具体而言,相对论禁止您测量光从点A传播到点B所花费的时间。要测量一个方向的光速,您需要在每一端使用同步秒表,但是相对运动会影响您的运动速度时钟相对于光速。您无法在不知道光速的情况下同步它们,而光速是无法测量的。您可以做的是使用一个秒表来测量从A到B再到A的往返时间,这就是每次光速测量的结果。

由于所有光测量的往返速度都会给出恒定的结果,因此您可能会认为您可以将时间除以二并称为一天。这正是爱因斯坦所做的。他认为那里和后面的时间是相同的。我们的实验符合这一假设,但他们也同意这样一种想法,即朝向我们的光速比离开我们的光速快十倍。光不必在所有方向上都具有恒定的速度,而只需具有恒定的“平均”往返速度即可。如果光速是各向异性的,相对论仍然成立。

如果光速随其运动方向而变化,那么我们将以不同的方式看待宇宙。当我们看着遥远的星系时,我们正在回溯过去,因为光需要时间才能到达我们。如果遥远的光以某个方向快速到达我们,我们将看到宇宙朝着这个方向随着年龄的增长和扩展。到达我们的光线越快,我们看到的“时光倒流”就越少。由于我们在各个方向观察到均匀的宇宙,因此可以肯定地表明光速是恒定的。

事实证明,如果光速随方向变化,那么长度收缩和时间膨胀也会变化。研究小组考虑了各向异性光对一个简单的相对论模型米尔恩宇宙的影响。它基本上是一个玩具宇宙,其结构类似于观察物,但没有所有的物质和能量。他们发现光的各向异性会在时间膨胀和宇宙膨胀中引起各向异性的相对论效应。这些影响将抵消变化的光速的可观察到的方面。换句话说,即使由于光速的变化,宇宙是各向异性的,它仍然会显得均匀。

因此,似乎简单的宇宙学也无法证明爱因斯坦关于光速的假设:科学中最基本的思想最难证明。