摘要：真空中光速不變是被證明了的事實，但有觀點認為在宇宙演化的不同時期，光速可能是有差別的。本文根據這個觀點，自然推導出黑洞的質量上限，由此能夠很好地解釋類星體超強輻射的能源機制，并由光速量子化得到黑洞爆炸乃至宇宙大爆炸的條件。

關鍵詞：真空相變；光速；量子化；黑洞；宇宙大爆炸

中圖分類號：P158，P145.8，O413文獻標識碼：A

1 緒論

宇宙為什么能爆炸而黑洞不能爆炸，黑洞的大小有沒有極限，宇宙大爆炸的條件是什么，類星體超強輻射的能源機制是什么？這些都是長期困擾天體物理學家和宇宙學家的問題。這些問題似乎都能從真空變化引起光速變化現象中得到合理解釋。

2 宇宙演化中光速有變化

英國物理學家J.Magueijo，J.Barrowyiji 和美國物理學家A.Albrecht于1999年的一篇題為“光速隨時間而變──宇宙學疑謎的一個解答”[1]中提出了“光速可變理論”（VSL理論），文章論證道，宇宙創(chuàng)生時的光速比后來的值大得多，宇宙學一般遵守光速不變假設不能解釋早期宇宙的均勻性等一系列難題。VSL理論認為宇宙早期的光速比現在的c值大很多很多。J.Magueijo在其著作《比光速還快》[2]中進一步指出，由于宇宙真空的相變，宇宙創(chuàng)生之初的光速就是無窮大。以此理論可以不需要暴脹理論就可以解釋諸如宇宙均勻性困難、平坦性困難等疑難。

需要指出的是，J.Magueijo等提出的光速可變理論與愛因斯坦提出的光速不變假設是不矛盾的。愛因斯坦的光速不變假設，在狹義相對論中，指的是無論在何種慣性參照系中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個常數，不隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變。后來此原理擴展到在一切參照系中，但并不涉及光速在宇宙的演化過程中是否改變。即使在宇宙的演化過程中，光速可變，但在宇宙演化的任何時刻或任何區(qū)域，愛因斯坦的光速不變假設依然有效。設宇宙創(chuàng)生后t秒，光速為c（t），光在真空中的傳播速度都是一個常數c（t），在一切參照系中觀測都是此值。這樣VSL理論就與相對論不矛盾。

VSL理論似乎有了一些的觀測實驗數據的支持。傳統(tǒng)上認為精細結構常數α是不隨時間而變的常數，α由四個常數，即圓周率π、真空光速c、電子電荷e和普朗克常數h而得，如式（1）

α=2πe2hc（1）

2001年，J.Webb等人在一篇題為“精細結構常數的宇宙演化證據”[3]中說：“應用于宇宙學的大統(tǒng)一理論的一個性質是，它們允許耦合常數與空間時間有關。精細結構常數α=e2/c，觀察遙遠的類星體可以研究它們的變化……VSL模型，由于可解釋一系列宇宙學問題而具有吸引力；而該理論要求在過去α為較小的值。

通過對遙遠的類星體的觀測分析，很多證據都證明過去的α值比現在小一些。α變大，由式（1）可以知道，α變大意味著最可能的情況是過去的光速值比現在要大。因此，說宇宙創(chuàng)生之始的光速為無窮大或許言過其實，但是在過去時間的光速比現在大是很有可能的。

3 光速可變和類星體的能源機制

根據觀測數據，有些跡象表明在同一個真空相中和極端條件下光速有漸進變化，當然變化量是很小的，即使是在極大質量或極大密度的星球如中子星乃至黑洞表面附近那樣極端條件也是如此。但是，在宇宙演化的不同時期光速有變化，那么在目前時期的極端條件下也會有變化是自然的。

3.1 黑洞的質量上限

很少物理學家討論宇宙為什么會創(chuàng)生的問題，因為物理學家們認為在宇宙創(chuàng)生的普朗克時間以前，現有的一切理論均失效，無從研究宇宙創(chuàng)生的機制，似乎此機制問題是宗教家的事。

本文從黑洞開始研究這些問題。我們知道，質量M如果分布在史瓦西半徑rg以內就形成了黑洞，

rg=2GMc2（2）

G為萬有引力常數。

經典理論認為黑洞是一個單向壁，凡是進入黑洞視界內的物質永遠出不了這個單向壁，必然迅速坍塌入奇點。但是在奇點力的作用，這個點是有一定大小的。理論上已經證明，除了史瓦西黑洞，其它黑洞如克爾黑洞、克爾紐曼黑洞的能量就不是集中在奇點。

黑洞是已經被觀測證實了的天體。

現在存在一個矛盾：忽略霍金輻射，黑洞可以穩(wěn)定地存在，似乎是終極的天體而永遠存在，而類似黑洞又質量大無數倍的宇宙卻發(fā)生了爆炸。宇宙能爆炸，黑洞能爆炸嗎？

根據黑洞的條件，如果史瓦西半徑內匯集的物質越多，真正的物質能量聚集的區(qū)域的能量密度越大，真空發(fā)生彎曲伸縮越大，光速將發(fā)生變化，能量密度大到某個值，真空將會發(fā)生相變，真空的光速也將發(fā)生更大的改變。

光速發(fā)生改變，只有兩種方式，即漸變的或量子化的。

首先來看漸變的情況。設光速的變化是漸變的，即黑洞質量分布的區(qū)域的質量能量密度越大，該處真空的光速逐漸加大，黑洞的史瓦西半徑縮小，于是有部分能量輻射出原來的視界之外，雖然不會完全爆炸。這個輻射不是霍金輻射，而是因史瓦西半徑縮小至物質范圍之內，新的史瓦西半徑之外的粒子和能量可能會輻射掉，能量輻射一部分之后，光速不再增大，甚至有所減小，史瓦西半徑又大于等于物質分布范圍，從而達到一個平衡，故不會發(fā)生爆炸。隨著物質從史瓦西半徑范圍的進出，rg實際上也是時間的函數，rg=rg（t）。定量計算如下：

根據上面的定性分析，可以設變化的光速為c=c（t），變化的黑洞質量為M=M（t），由式（2）得

drg=2Gc2dM-4GMc3dc（3）

當dM>0，史瓦西半徑增大；dM<0，則史瓦西半徑縮小。dc>0時，史瓦西半徑縮小，dc<0，史瓦西半徑增大。當drg=0時，達到平衡，也是達到一個極值，即當

dMM=2dcc（4）

時，黑洞大小達到平衡，既不能繼續(xù)增大，也不會減小。也就是說黑洞質量的增大會有一個上限，黑洞質量的上限是多少，取決于真空極化對光速的改變情況。大小達到質量上限的黑洞，所有進入視界的物質會100%地轉化成能量輻射出去，這時的黑洞其實不是黑的，如果吸入黑洞的物質足夠多，這時的黑洞不但不黑，反而比恒星更白更明亮。

3.2 類星體的能源機制

黑洞變白很可能就是類星體的能源機制。

觀測發(fā)現，類星體的尺度不大，大小最多只有幾“光日”到幾“光周”，大的也不過幾光年，遠遠小于一般星系的尺度，它們距離我們幾億到幾十億光年之外，而亮度看上去卻又與銀河系里普通的恒星差別不大。計算表明，類星體的輻射功率遠遠超過了普通星系，有的竟達到銀河系輻射總功率的數萬倍，達太陽輻射能量的1015倍。這么強的能量輻射比核能大得多，李政道認為其產能機制不是目前所知的。[4]

觀測表明，超強輻射的類星體中心大都有一個黑洞。質量達到上限的黑洞把進入史瓦西半徑內的一切物質能量100%轉化成能量輻射出去，這應該是類星體超強能源機制的最合理解釋了。

4 光速量子化

李政道在《量子色動力學和強子的孤子模型》[5]一文中建議真空有相變現象存在，并且認為無限范圍的真空的行為象一種完全抗電介質，由此，根據麥克斯韋電磁場理論，有理由認為在不同相真空的光速可能是不同的。

前文設定光速是漸變的，然而，量子理論貫穿一切物理世界，由此，有理由設定真空中光速是隨著不同的真空相而變化的，而且不是連續(xù)變化的，在同一真空相中的速度為一個確定的值或者因能量密度大而有微小的變化，不同相真空中的光速是量子化的，是某個值的整數倍。設這個的最小值為cmin，則任何真空相的光速c為。

c=ncmin（5）

n為整數。

4.1 達質量上限的黑洞被引力壓縮引起真空相變

上文推導出黑洞的質量上限是相對的，也是可能被摧毀的，就像恒星的粒子簡并力被重力一層層壓縮摧毀逐漸形成白矮星、中子星、黑洞一樣，更大的質量如星系坍縮、宇宙坍縮壓向達到上限的黑洞，這個黑洞的平衡也將會被打破。

由式（4）可知，當超級黑洞處于真空相變臨界點，再突然增加極質量物質的時候，黑洞內的真空發(fā)生相變，設光速由mcmin變成ncmin，于是

dc=Δc=（n-m）cmin（6）

代入式（4）得黑洞達到平衡的條件為

dMM=ΔMM=2（n-m）m（7）

4.2 宇宙創(chuàng)生的條件

現代的宇宙大爆炸模型認為，宇宙起源于一個沒有大小的點，所有物質能量時間空間均由此產生。因此也有人持早期宇宙就是一個黑洞的觀點。事實上，宇宙也不是起源于一個數學點。文獻[6]曾經證明，由于量子效應，事實上，物質不可能被壓縮至大小為零的數學點，物質總是分布在有一定尺度的空間。另外，不能將經典廣義相對論的推論用于普朗克尺度以內，在普朗克尺度以內，廣義相對論失效。黑洞的物質最多也是坍縮至普朗克尺度以內，在普朗克尺度內，空間沒有方向，時間沒有箭頭，廣義相對論失效，黑洞內的未來光錐就不是指向r=0的地方，物質就不一定會按經典理論計算的那樣必然走向時間終點。

假如宇宙是有的學者提出的循環(huán)宇宙或叫震蕩宇宙，那么，某次宇宙大爆炸是由上次宇宙大坍縮成超級黑洞導致的，黑洞爆炸與經典廣義相對論和量子黑洞理論均不一致，它這個超級黑洞如何才能爆炸呢？由式（7）可知，當n1.5m時，dM=ΔMM時，即超級黑洞內的光速只需要達到現在真空光速的1.5倍，其質量的變化量將大于等于黑洞總質量，其實這就是爆炸。這個引發(fā)超級黑洞爆炸的光速，不需要VSL學者們說的“光速幾乎是無限大的”，無限大的光速是不可理解的。

這也是宇宙大爆炸的條件。

如果真空相變導致的光速變化量沒達到導致黑洞爆炸的條件，則黑洞在這個相上又會有一個極限，由式（4）得

dMM，=2dcc，（8）

在這個真空相上，當滿足上式條件時，黑洞也達到另一個極值。因此，以此解釋類星體的產能機制，就能解釋類星體中心的黑洞質量也有不同大小。

由此，可以推斷出，黑洞質量的差別，在一個真空相內達到極限值前是連續(xù)的，然后真空相變，黑洞的質量有一個不連續(xù)的變化?？偠灾诙吹馁|量是分段連續(xù)變化的。

5 結語

根據VSL理論提出的光速演變論，自然地推導出真空相變導致光速改變引起的物理現象，進而自然地導出黑洞爆炸，乃至宇宙發(fā)生爆炸的條件，也可以很好地解釋一些類星體超強能量輻射的產能機制。

真實的光速變化很可能是漸變和量子化的疊加，在真空未發(fā)生相變時，在極端能量密度條件下有微小的

參考文獻：

[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，趙問譯.比光速還快[M].湖南：湖南科學技術出版社，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.世紀之末物理學之謎.物理通報[J].1997，2：45.

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

[6]劉發(fā)興.奇點力可能源于不確定性原理.科學中國人[J].1999.11：30.

作者簡介：劉發(fā)興（1967），男，漢族，廣東韶關人，理學碩士，畢業(yè)于華南師范大學，研究理論物理、天體物理、宇宙學。