真空相变和光速量子化及其应用

摘要：真空中光速不变是被证明了的事实，但有观点认为在宇宙演化的不同时期，光速可能是有差别的。本文根据这个观点，自然推导出黑洞的质量上限，由此能够很好地解释类星体超强辐射的能源机制，并由光速量子化得到黑洞爆炸乃至宇宙大爆炸的条件。

关键词：真空相变；光速；量子化；黑洞；宇宙大爆炸

中图分类号：P158，P145.8，O413文献标识码：A

1 绪论

宇宙为什么能爆炸而黑洞不能爆炸，黑洞的大小有没有极限，宇宙大爆炸的条件是什么，类星体超强辐射的能源机制是什么？这些都是长期困扰天体物理学家和宇宙学家的问题。这些问题似乎都能从真空变化引起光速变化现象中得到合理解释。

2 宇宙演化中光速有变化

英国物理学家J.Magueijo，J.Barrowyiji 和美国物理学家A.Albrecht于1999年的一篇题为“光速随时间而变──宇宙学疑谜的一个解答”[1]中提出了“光速可变理论”（VSL理论），文章论证道，宇宙创生时的光速比后来的值大得多，宇宙学一般遵守光速不变假设不能解释早期宇宙的均匀性等一系列难题。VSL理论认为宇宙早期的光速比现在的c值大很多很多。J.Magueijo在其著作《比光速还快》[2]中进一步指出，由于宇宙真空的相变，宇宙创生之初的光速就是无穷大。以此理论可以不需要暴胀理论就可以解释诸如宇宙均匀性困难、平坦性困难等疑难。

需要指出的是，J.Magueijo等提出的光速可變理论与爱因斯坦提出的光速不变假设是不矛盾的。爱因斯坦的光速不变假设，在狭义相对论中，指的是无论在何种惯性参照系中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。后来此原理扩展到在一切参照系中，但并不涉及光速在宇宙的演化过程中是否改变。即使在宇宙的演化过程中，光速可变，但在宇宙演化的任何时刻或任何区域，爱因斯坦的光速不变假设依然有效。设宇宙创生后t秒，光速为c（t），光在真空中的传播速度都是一个常数c（t），在一切参照系中观测都是此值。这样VSL理论就与相对论不矛盾。

VSL理论似乎有了一些的观测实验数据的支持。传统上认为精细结构常数α是不随时间而变的常数，α由四个常数，即圆周率π、真空光速c、电子电荷e和普朗克常数h而得，如式（1）

α=2πe2hc（1）

2001年，J.Webb等人在一篇题为“精细结构常数的宇宙演化证据”[3]中说：“应用于宇宙学的大统一理论的一个性质是，它们允许耦合常数与空间时间有关。精细结构常数α=e2/c，观察遥远的类星体可以研究它们的变化……VSL模型，由于可解释一系列宇宙学问题而具有吸引力；而该理论要求在过去α为较小的值。

通过对遥远的类星体的观测分析，很多证据都证明过去的α值比现在小一些。α变大，由式（1）可以知道，α变大意味着最可能的情况是过去的光速值比现在要大。因此，说宇宙创生之始的光速为无穷大或许言过其实，但是在过去时间的光速比现在大是很有可能的。

3 光速可变和类星体的能源机制

根据观测数据，有些迹象表明在同一个真空相中和极端条件下光速有渐进变化，当然变化量是很小的，即使是在极大质量或极大密度的星球如中子星乃至黑洞表面附近那样极端条件也是如此。但是，在宇宙演化的不同时期光速有变化，那么在目前时期的极端条件下也会有变化是自然的。

3.1 黑洞的质量上限

很少物理学家讨论宇宙为什么会创生的问题，因为物理学家们认为在宇宙创生的普朗克时间以前，现有的一切理论均失效，无从研究宇宙创生的机制，似乎此机制问题是宗教家的事。

本文从黑洞开始研究这些问题。我们知道，质量M如果分布在史瓦西半径rg以内就形成了黑洞，

rg=2GMc2（2）

G为万有引力常数。

经典理论认为黑洞是一个单向壁，凡是进入黑洞视界内的物质永远出不了这个单向壁，必然迅速坍塌入奇点。但是在奇点力的作用，这个点是有一定大小的。理论上已经证明，除了史瓦西黑洞，其它黑洞如克尔黑洞、克尔纽曼黑洞的能量就不是集中在奇点。

黑洞是已经被观测证实了的天体。

现在存在一个矛盾：忽略霍金辐射，黑洞可以稳定地存在，似乎是终极的天体而永远存在，而类似黑洞又质量大无数倍的宇宙却发生了爆炸。宇宙能爆炸，黑洞能爆炸吗？

根据黑洞的条件，如果史瓦西半径内汇集的物质越多，真正的物质能量聚集的区域的能量密度越大，真空发生弯曲伸缩越大，光速将发生变化，能量密度大到某个值，真空将会发生相变，真空的光速也将发生更大的改变。

光速发生改变，只有两种方式，即渐变的或量子化的。

首先来看渐变的情况。设光速的变化是渐变的，即黑洞质量分布的区域的质量能量密度越大，该处真空的光速逐渐加大，黑洞的史瓦西半径缩小，于是有部分能量辐射出原来的视界之外，虽然不会完全爆炸。这个辐射不是霍金辐射，而是因史瓦西半径缩小至物质范围之内，新的史瓦西半径之外的粒子和能量可能会辐射掉，能量辐射一部分之后，光速不再增大，甚至有所减小，史瓦西半径又大于等于物质分布范围，从而达到一个平衡，故不会发生爆炸。随着物质从史瓦西半径范围的进出，rg实际上也是时间的函数，rg=rg（t）。定量计算如下：

根据上面的定性分析，可以设变化的光速为c=c（t），变化的黑洞质量为M=M（t），由式（2）得

drg=2Gc2dM-4GMc3dc（3）

当dM>0，史瓦西半径增大；dM<0，则史瓦西半径缩小。dc>0时，史瓦西半径缩小，dc<0，史瓦西半径增大。当drg=0时，达到平衡，也是达到一个极值，即当

dMM=2dcc（4）

时，黑洞大小达到平衡，既不能继续增大，也不会减小。也就是说黑洞质量的增大会有一个上限，黑洞质量的上限是多少，取决于真空极化对光速的改变情况。大小达到质量上限的黑洞，所有进入视界的物质会100%地转化成能量辐射出去，这时的黑洞其实不是黑的，如果吸入黑洞的物质足够多，这时的黑洞不但不黑，反而比恒星更白更明亮。

3.2 类星体的能源机制

黑洞变白很可能就是类星体的能源机制。

观测发现，类星体的尺度不大，大小最多只有几“光日”到几“光周”，大的也不过几光年，远远小于一般星系的尺度，它们距离我们几亿到几十亿光年之外，而亮度看上去却又与银河系里普通的恒星差别不大。计算表明，类星体的辐射功率远远超过了普通星系，有的竟达到银河系辐射总功率的数万倍，达太阳辐射能量的1015倍。这么强的能量辐射比核能大得多，李政道认为其产能机制不是目前所知的。[4]

观测表明，超强辐射的类星体中心大都有一个黑洞。质量达到上限的黑洞把进入史瓦西半径内的一切物质能量100%转化成能量辐射出去，这应该是类星体超强能源机制的最合理解释了。

4 光速量子化

李政道在《量子色动力学和强子的孤子模型》[5]一文中建议真空有相变现象存在，并且认为无限范围的真空的行为象一种完全抗电介质，由此，根据麦克斯韦电磁场理论，有理由认为在不同相真空的光速可能是不同的。

前文设定光速是渐变的，然而，量子理论贯穿一切物理世界，由此，有理由设定真空中光速是随着不同的真空相而变化的，而且不是连续变化的，在同一真空相中的速度为一个确定的值或者因能量密度大而有微小的变化，不同相真空中的光速是量子化的，是某个值的整數倍。设这个的最小值为cmin，则任何真空相的光速c为。

c=ncmin（5）

n为整数。

4.1 达质量上限的黑洞被引力压缩引起真空相变

上文推导出黑洞的质量上限是相对的，也是可能被摧毁的，就像恒星的粒子简并力被重力一层层压缩摧毁逐渐形成白矮星、中子星、黑洞一样，更大的质量如星系坍缩、宇宙坍缩压向达到上限的黑洞，这个黑洞的平衡也将会被打破。

由式（4）可知，当超级黑洞处于真空相变临界点，再突然增加极质量物质的时候，黑洞内的真空发生相变，设光速由mcmin变成ncmin，于是

dc=Δc=（n-m）cmin（6）

代入式（4）得黑洞达到平衡的条件为

dMM=ΔMM=2（n-m）m（7）

4.2 宇宙创生的条件

现代的宇宙大爆炸模型认为，宇宙起源于一个没有大小的点，所有物质能量时间空间均由此产生。因此也有人持早期宇宙就是一个黑洞的观点。事实上，宇宙也不是起源于一个数学点。文献[6]曾经证明，由于量子效应，事实上，物质不可能被压缩至大小为零的数学点，物质总是分布在有一定尺度的空间。另外，不能将经典广义相对论的推论用于普朗克尺度以内，在普朗克尺度以内，广义相对论失效。黑洞的物质最多也是坍缩至普朗克尺度以内，在普朗克尺度内，空间没有方向，时间没有箭头，广义相对论失效，黑洞内的未来光锥就不是指向r=0的地方，物质就不一定会按经典理论计算的那样必然走向时间终点。

假如宇宙是有的学者提出的循环宇宙或叫震荡宇宙，那么，某次宇宙大爆炸是由上次宇宙大坍缩成超级黑洞导致的，黑洞爆炸与经典广义相对论和量子黑洞理论均不一致，它这个超级黑洞如何才能爆炸呢？由式（7）可知，当n1.5m时，dM=ΔMM时，即超级黑洞内的光速只需要达到现在真空光速的1.5倍，其质量的变化量将大于等于黑洞总质量，其实这就是爆炸。这个引发超级黑洞爆炸的光速，不需要VSL学者们说的“光速几乎是无限大的”，无限大的光速是不可理解的。

这也是宇宙大爆炸的条件。

如果真空相变导致的光速变化量没达到导致黑洞爆炸的条件，则黑洞在这个相上又会有一个极限，由式（4）得

dMM，=2dcc，（8）

在这个真空相上，当满足上式条件时，黑洞也达到另一个极值。因此，以此解释类星体的产能机制，就能解释类星体中心的黑洞质量也有不同大小。

由此，可以推断出，黑洞质量的差别，在一个真空相内达到极限值前是连续的，然后真空相变，黑洞的质量有一个不连续的变化。总而言之，黑洞的质量是分段连续变化的。

5 结语

根据VSL理论提出的光速演变论，自然地推导出真空相变导致光速改变引起的物理现象，进而自然地导出黑洞爆炸，乃至宇宙发生爆炸的条件，也可以很好地解释一些类星体超强能量辐射的产能机制。

真实的光速变化很可能是渐变和量子化的叠加，在真空未发生相变时，在极端能量密度条件下有微小的

参考文献：

[1]Albrecht.A，Magueijo.J，Time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles.Phys.Rev[J].D1999，59（4）：13.

[2]J.Magueijo著，赵问译.比光速还快[M].湖南：湖南科学技术出版社，2005.5.

[3]Webb J，et.al.Further evidence for cosmological evolution of the fine structure constant.Phys Rev.Lett.[J].2001，87（9）：091301 14.

[4]李政道.世纪之末物理学之谜.物理通报[J].1997，2：45.

[5]T D Lee.Phys.，Rev.[J].1979，D19：1802.

[6]刘发兴.奇点力可能源于不确定性原理.科学中国人[J].1999.11：30.

作者简介：刘发兴（1967），男，汉族，广东韶关人，理学硕士，毕业于华南师范大学，研究理论物理、天体物理、宇宙学。