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为什么没有东西能够超过光速?超光速旅行依然遥不可及

木马童年 2018-11-9 16:19 6 0

北京时间5月11日消息,2011年9月,物理学家安东尼奥?伊雷迪塔托(Antonio Ereditato)震惊了世界。他宣布的消息将彻底改变我们对宇宙的理解方式。如果参与OPERA项目的160名科学家收集的数据正确的话,说明我们已经成功 ...

北京时间5月11日消息,2011年9月,物理学家安东尼奥?伊雷迪塔托(Antonio Ereditato)震惊了世界。他宣布的消息将彻底改变我们对宇宙的理解方式。如果参与OPERA项目的160名科学家收集的数据正确的话,说明我们已经成功观测到了不可能发生的事情。

这件事就是:粒子(这里指的是中子)的运动速度超过了光速。

根据爱因斯坦的相对论,这应该是不可能发生的。假如这件事成真,它的影响也十分巨大,许多物理学知识都必须予以重新考虑。

虽然伊雷迪塔托和他的团队称,他们对自己的研究结果抱有“高度自信”,但他们从未说过自己的结果是完全精确的。事实上,他们还邀请了其他科学家来帮助他们弄清究竟发生了什么事情。

最后他们发现,OPERA项目的结果是错误的。由于一处电缆接触不良,从GPS卫星传来的信号出现了延迟。结果中子的运动时间缩短了73秒,看上去就好像比光速还快一样。

虽然科学家们在实验之前进行了好几个月的细致检查,在实验之后也进行了反复核查,但这一次,科学家们还是犯了错误。虽然很多人指出,在粒子加速器这么复杂的机器中,这样的错误总会发生,但伊雷迪塔托还是引咎辞职了。

为什么人们都将“某种东西比光速还快”这件事看得这么严重呢?我们真就那么确定没有东西能超过光速吗?

让我们先来看看第二个问题。真空中的光速是每秒299792.458公里,约等于每秒30万公里,速度非常之快。太阳距地球约1.5亿公里,光只需要8分20秒就能跑过这段距离。

我们造出来的东西能与光速相提并论吗?新视野号空间探测器是人类造出的速度最快的东西之一,相对地球的运行速度只有每秒钟16公里,比每秒钟30万公里差了一大截。

但粒子的速度可以比这快得多。上世纪60年代初,麻省理工学院的威廉?贝托齐(William Bertozzi)开展了一项实验,不断给电子加速,使电子的速度越来越快。由于电子带负电荷,只要使一块材料带上同样的负电荷,就能把电子向前推出去。施加的能量越高,电子的速度也就越快。

光纤可以传输信息。

时间可以放慢或加速。

你可能会以为,要想达到每秒钟30万公里的速度,只要增加所施加的能量就可以了。但我们发现,电子是不可能达到那么高的运行速度的。贝托齐的实验显示,增加能量之后,电子的运行速度并不会简单地成比例增加。到了后来,就算施加了大量能量,电子的速度也只能加快一点点。这一速度会不断接近光速,但永远无法真正追上光速。

想象一下,你正在朝一扇门走过去,每次走的长度都是你现在和门之间距离的一半。严格来说,你永远也走不到门跟前,因为每走一步之后,你和门之间仍然存在一定距离。贝托齐的电子加速实验遇到的也是类似的问题。

但光也是由一种叫做光子的粒子构成的。为什么这些粒子就能达到光速,电子之类的粒子就不行呢?

“物体的运动速度越快,它就会变得越重;而物体变得越重,要想加速也就越难,因此你永远不可能达到光速。”墨尔本大学的一名物理学家罗杰?拉索尔(Roger Rassool)说道,“光子实际上是没有质量的。如果它有质量,也就不可能以光速运行了。”

光子是一种非常特殊的粒子。不仅因为它们没有质量,让它们在宇宙这样的真空中可以无拘无束地自由穿梭,还因为它们根本不需要加速。光的能量借助波的形式传播,这意味着从光子诞生的那一刻起,它就已经达到了最高速度。

不过,光有时似乎传播得比我们认为的要慢一些。虽然互联网技术人员喜欢说信息“以光速”在光纤中传播,但光在光纤的玻璃中传播的速度其实比在真空中慢40%。

事实上,这些光子的运行速度仍然是每秒钟30万公里,但在光波穿过玻璃时,会从玻璃原子中释放出其它的光子,对之前的光子造成一定干扰。这一点可能很难理解,但值得我们去注意一下。。

与之类似,科学家在实验中通过改变光子的形状,成功减慢了单个光子的速度。

不过,在绝大多数情况下,我们还是可以说光速就是每秒30万公里。我们还未观察到过、或者造出过能与光速媲美、甚至超过光速的东西。下文中提到了一些特殊的案例,但在此之前,让我们先来解决另一个问题:为什么光速这么重要呢?

答案与一位叫做阿尔伯特?爱因斯坦的男人有关。他的狭义相对论对这一速度上限引发的许多后果进行了探讨。

该理论最重要的观点之一是,光速是一个常量。无论你身在何处,无论你速度多快,光传播的速度始终保持不变。

但这也带来了一些概念上的问题。

光从太阳来到到地球上。

想象一下这样的场景:手电筒的光柱投射到一艘静止的宇宙飞船的天花板上。光线先是朝上,被镜子反射回来,然后投射到地板上。假设光线经过的距离为10米。

然后再想象一下,宇宙飞船开始以超高速运行,速度为每秒数千、甚至数万公里。你打开手电筒之后,光线的运动方式看上去和之前一样:先是往上走,然后被镜子反射回来,投射到地板上。但由于镜子此时正和宇宙飞船一起高速运行,要实现这样的效果,光线的运动轨迹必须倾斜于地面,而不是垂直于地面。

因此光线经过的距离比之前增加了。假设这段距离增加了5米,光线经过的总距离就变成了15米,而不是之前的10米。

不过,虽然这段距离增加了,根据爱因斯坦的理论,光速仍然是不变的。速度等于距离除以时间,既然速度不变,距离增加,时间应该也增加了才对。

不错,时间本身也被拉长了。这听上去很异想天开,但实验已经证实了这一点。

这种现象名叫时间膨胀效应。这意味着对于在高速运行的汽车中的人来说,时间过得比静止时要慢一些。

例如,国际空间站相对地球的运动速度是每秒7.66公里,对于宇航员来说,时间比地球上慢了0.007秒。

而套用到粒子身上,事情就更有趣了。比如上文提到的电子,它们可以以接近光速的速度运行。对于这些粒子来说,时间膨胀效应就更明显了。

其它星系正在离我们而去。

牛津大学的一名实验物理学家史蒂文?科尔斯海默(Steven Kolthammer)用渺子举例说明了这一点。渺子十分不稳定,很快就会分裂成其它更简单的粒子。按照它们的衰变速度,大部分渺子在离开太阳之后,等到抵达地球时,就应该已经衰变了才对。但事实上,仍有大批渺子能成功抵达地球。长时间以来,科学家一直对这一点感到大惑不解。

“原因是渺子在诞生时的能量极其巨大,因此渺子能够以接近光速的速度运行,”科尔斯海默说道,“所以对于它们而言,时间其实放慢了不少。”

渺子之所以能“存活”得比我们以为的更久,靠的就是实际存在的、天然的时间弯曲效应。

当物体相对于其它物体的运动速度更快时,它们的长度也会收缩。时间膨胀效应和尺缩效应都是时空根据物体的运动状态发生改变的例子。比如你,比如我,比如宇宙飞船,物体只要有质量,就会出现这些现象。

但爱因斯坦指出,最关键的是,光不会受到这些效应的影响,因为光没有质量。正是因为这一点,这些定律之间的统一才那么重要。如果有什么东西的运动速度超过了光速,它们就会与宇宙运作的基本法则相违背。

但也有一些例外的现象。

首先,虽然我们还没观察到有什么东西能超过光速,但这并不意味着,在非常特殊的情况下,理论上是无法打破光速的限制的。

宇宙膨胀就是一个例子。宇宙中有一些星系,它们从彼此身边逃离的速度就超过了光速。

另一个有趣的例子则与粒子有关。这些粒子无论相隔多远,似乎都能同时表达出相同的特性。这一现象叫做“量子纠缠”。从本质上来说,光子可以在两种状态间随机转换,但如果两个光子之间存在量子纠缠的话,其中一个光子的状态将恰好与另一处的光子完全相同。

因此,如果两名科学家各负责观察一个光子,他们就能同时得到相同的结果,而这一速度是超过了光速的。

如果虫洞存在的话,我们可以对其加以利用。

不过,在上述两个例子中,我们必须注意到,信息在两个实体之间传播的速度是无法超过光速的。我们可以计算宇宙的膨胀速度,但我们无法在其中观察到任何超过光速运行的物体,就好像它们从我们的视线中消失了一样。

至于那两名研究光子的科学家,虽然他们能同时得到相同的结果,但他们向对方确认这一事实的速度也不可能超过光速。

“这让我们避免了各种棘手的问题,因为如果你发射信号的速度超过光速的话,就可能引发一些诡异的悖论,让信息在时间上出现了倒退。”科尔斯海默说道。

不过,从技术层面来讲,还有另一种方法能实现超光速运动:利用时空中本身存在的缝隙,从而避免受到普通运动法则的牵制。

德州贝勒大学的杰拉德?克利佛(Gerald Cleaver)对制造超光速宇宙飞船的可行性进行了研究。一种方法是穿越虫洞。时空中存在一些环状回路,这与爱因斯坦的理论是完全一致的。宇航员可以利用这些捷径,从宇宙中的某一处地方直接跳到另一处去。

物体在虫洞中运行的速度不会超过光速,但从理论上来说,它到达目的地的时间的确比光走正常路线所需的时间要短。

但我们也许无法利用虫洞进行空间旅行。那么,我们能否以某种可控的方式主动使时空发生弯曲,从而使相对的运动速度超过光速呢?

克利佛对一种名为“曲速引擎”(Alcubierre drive,又名阿库别瑞引擎)的概念进行了研究,这一概念是理论物理学家米格尔?阿库别瑞于1994年提出的。从根本上来说,它描述的是这样一种情境:宇宙飞船前方的时空会收缩,将宇宙飞船向前拉去,而与此同时,飞船后方的时空则会膨胀,产生推动效应。

“但问题是,我们怎样才能实现这一点呢?实现它又需要多大的能量呢?”克利佛说道。

可见光只是电磁光谱的一部分。

2008年,克利佛和他手下的研究生理查德?奥伯塞(Richard Obousy)对所需的能量进行了计算。

“我们发现,假设飞船大小为10米*10米*10米、即总体积为1000立方米的话,光是启动这一过程所需的能量数量级就与木星的质量相当。”

而在启动之后,我们还需要不断供应能量,保证这一过程不会中断。没人知道我们要怎样才能做到这一点,也没人知道这需要什么样的技术。

“我可不想预言说这永远不可能成真,结果被后人诟病数百年,”克利佛说道,“但就目前而言,我真不知道怎样才能做到这一点。”

因此就现在来说,超光速旅行依然如神话般遥不可及。

不过先别失望。在本文中,我们考虑的主要是可见光。但事实上,真正的光比这要宽泛得多。从无线电波到微波,再到可见光、紫外线、X射线和原子衰变时释放的伽马射线,这些神奇的射线都是由同一种物质组成的——光子。

它们之间的区别在于能量和波长的不同。这些射线加起来,就构成了完整的电磁光谱。无线电波能以光速传播,这对于通讯的用处非常巨大。

科尔斯海默在他的研究中搭建了一个电路系统,用光子从电路的一部分向另一部分发射信号。因此他在光速的用途上很有发言权。

“现在的互联网和以前的无线电都是这样的例子,光速为我们提供了巨大的便利。”他指出。

科尔斯海默还补充说,光在宇宙中还起到了沟通的作用。当一部手机中的电子振动时,便会释放出光子,让另一部手机中的电子也开始振动。你打电话的时候,就会经历这样的过程。

太阳中的电子振动时也会释放出光子,正是它们产生的光线孕育了地球万物。

光就像宇宙中的广播节目。光速为每秒钟299792.458公里,这一速度始终保持不变。并且,时空还具有延展性,无论人们身在何方,无论他们正处于怎样的运动状态,每个人都遵循着相同的物理法则。

不过,谁会愿意运动得比光速还快呢?那场景一定太美,让人不容错过。

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