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4个比光速还快的宇宙现象(组图)

2016-01-25  不易齋

狭义相对论(Special Theory of Relativity)中,质量与能量长期不变的结合在一起,形成一个简单的基本方程式E=mc2,这个小小的等式预测了,没有任何有质量的东西在移动时,速度可以和光速一样,或者超越光速。

人类最近一次能够达到光速,是在强力的粒子加速器当中,如大型强子对撞机(e Large Hadron Collider)和兆电子伏特加速器(Tevatron)。

这些庞大的机器促使次原子粒子加速达到99.99%的光速,然而就如诺贝尔物理学奖得主大卫·葛罗斯(David Gross)的阐释,这些粒子永远无法达到的速限。

如果要能达到的话,在过程中需要无限大的能量,因此这个物体的质量也会变得无限大,而这是不可能的。(光的粒子称作光子,而它之所以能以光速移动,乃是因为它没有质量。)

自爱因斯坦以来,物理学家发现有些存在可以达到超光速(意指比光速还快),并且仍遵循狭义相对论中所主张的宇宙常规。虽然这些存在无法反驳爱因斯坦的理论,但却让我们对光及量子界的奇特行为能有洞察了解的机会。

与光相媲美的音爆

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当物体移动速度要比声速快时,它们会产生音爆。因此,理论中如果有东西移动的速度要比光速快,则它可能可以产生某种像“光爆”的东西。

事实上,这样的光爆每天都会出现在世界各地的设备当中,透过自己的眼睛,你就可以看到,它就叫做契忍可夫(Cherenkov radiation),以蓝辉光在核反应炉中出现,就像右边图片,爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)中先进测试反应器(Advanced Test Reactor)所呈现出来的颜色一样。

契忍可夫辐射是以苏联科学家Pavel Alekseyevich Cherenkov之名作为命名,在1934年他成为第一位测量到此光的人,并以此发现在1958年获得诺贝尔物理学奖。

契忍可夫辐射之所以发出白热光,是因为在先进测试反应器的中心部位必须保冷,因而里面充满了水,又在水中,光速仅能达到它在外真空状态下的75%,但此刻在核心中由内部辐射所创造出来的电子,在水中移动的速度却是比光要来得快。

就像这些光子一样,粒子在水中的速度要比光速还快,或者它们在其他像是玻璃的媒介物中,也可以产生类似音爆的震波。

例如,当穿越空气时,会在前端引起压力波,而此压力波将以声速离开火箭,当火箭越靠近音障之时,压力波自物体轨道离开的时间就越少。一旦火箭速度赶上声速时,形成一串的波就会产生震动,而在那之前则会形成响亮的音爆。

同样的,当电子在水中穿越的速度要比光在水中的速度快时,电子就会引发光的震波,所以有时不仅会出现蓝光,也会出现紫外线光。

当这些粒子在水中的速度要比光快时,它们并没有破坏宇宙中每小时670,616,629英里的速限。

当规则不适用时

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记得在爱因斯坦狭义相对论中有陈述,没有任何有质量的东西能够比光速还快,而直到物理学家们能够断定为止,宇宙的确是遵循那个规则。但若是没有质量的东西会如何呢?

就光子的本质来说,它们是无法超越光速的,但是光的粒子并非全宇宙中唯一没有质量的存在。看似空无一物的空间当中,其实蕴含了无形的物质,因此就定义而言,空也是没有质量的。

理论天体物理学家Michio Kaku在Big Think中曾说:“既然没有任何东西只是单纯空无一物的空间或处于真空状态,又没有任何有形的物体可以打破光速界限,那么空应该就可以扩展到比光速还快。因此,空间一定可以扩展到比光还快。”

物理学家们认为宇宙大爆炸之后即刻发生的状况就是如此,而这个时期称为大爆胀,在1980年代由物理学家阿兰·古斯(Alan Guth)及安德烈·林德(Andrei Linde)首度提出这样的假设。在百万分之一秒的百万分之一的时间之内,宇宙再三的双倍扩张,因此宇宙的外缘得以快速扩展,而速度甚至比光速还快。

量子纠缠办到了

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量子纠缠听起来复杂又吓人,但是就最初的纠缠而言,只是次原子粒子彼此互相沟通交流而已。

Kaku在Big Think解释道:“根据量子理论来说,如果我有两颗电子靠得很近,它们可以和谐的一起震动。”现在,即使把那两颗电子分开至距离有几百光年甚至几千光年之远,它们之间即时通讯的桥梁依然可以保持畅通。

Kaku写道:“如果我轻摇一颗电子,则另一颗电子立刻能‘感应’到这个震动,这样的通讯比光速还快。虽然没有任何东西可以超越光速,但爱因斯坦想到了这点,因而反驳了量子理论。”

事实上,1935年时,爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)及纳森·罗森(Nathan Rosen)试图进行一场有如爱因斯坦提出的“鬼魅般行动的超距作用”之思想实验,并藉此反驳量子理论。

然而讽刺的是他们的报告为现今称之为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论(Einstein-Podolsky-Rosen paradox;EPR)奠定了基础。此悖论主要在描述量子纠缠的即时通讯,而此对于世界上一些最尖端科技,如量子密码学而言,是不可或缺的重要部分。

虫洞的梦想

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既然没有任何有质量的东西可以超越光速,那么你可以和星际旅行说再见了,至少,就传统概念里的太空飞船及飞行是这样没错。

但是爱因斯坦虽然以狭义相对论摧毁了我们深入太空进行道路旅行的梦想,可他却在1915年用广义相对论(General Theory of Relativity)给了我们前往星际旅游的希望。

虽然狭义相对论主要是在于质量与能量的结合,但广义相对论则是将空间与时间编织在一起。

Kaku写道:“要打破光速界限唯一可行的方法,也许透过广义相对论以及空间时间的扭曲可以达成。”而这里所指的扭曲,就是我们俗称“虫洞”,就理论而言,透过虫洞可以让某些东西在最即刻的时间内进行大规模距离的旅行,因此基本上,它可以让我们打破宇宙速限,在非常短暂的时间内进行长距离的旅行。

理论物理学家基普·索恩(Kip Thorne),也就是电影《星际效应》的顾问及执行制作,他曾在1988年时,运用爱因斯坦广义相对论的等式预测,虫洞永远为太空旅行而打开的可能性。

但是为了要能能穿越,虫洞中需要一些不可思议,奇特的物质让它们保持敞开。

索恩在他的《星际效应:电影幕后的科学事实、推测与想像》(The Science of Interstellar)一书中提到:“感谢量子物理定律带来的不可思议,如今奇特的物质可存在于黑洞中,真是令人感到惊奇!”

而这个奇特的物质在我们地表的实验室中就可以制造出来,只是数量非常的少。当索恩在1988年提出这个稳定的虫洞理论时,他号召物理学界协助他判定,宇宙中是否存有足够的奇特物质,能够支持虫洞的这个可能性。

索恩写道:“这件事引发许多的物理学家开始进行很多的研究,然而到了现在,已将近30年了,这个答案仍是未知数。”就现在而言,看起来不乐观,他总结的说:“但我们距离最后的答案,还很远呢。”

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