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| 本文作者： 知社學(xué)術(shù)圈 | 2016-01-28 00:06 |
［編者按］本文由知社學(xué)術(shù)圈編譯自 Jessica Orwig：These 4 cosmic phenomena travel faster than the speed of light
以前，質(zhì)量和能量在人們眼中一直是兩個獨立的概念。但在1905年，愛因斯坦永遠(yuǎn)地改變了物理學(xué)家看待這個世界的方式。
他的狹義相對論永遠(yuǎn)地把質(zhì)量與能量捆綁在一起，表達(dá)形式是再簡單不過的E = mc2。這個公式告訴我們一切具有質(zhì)量的物體，其運動速度都不會達(dá)到或超越光速。人類所達(dá)到過最接近光速的情況是在強大的粒子加速器中完成的，比如大型強子對撞機和正負(fù)質(zhì)子對撞機。
這些巨型的機器可以將亞原子粒子加速至光速的99.99%以上，不過物理學(xué)諾貝爾獎得主David Gross解釋說這些粒子永遠(yuǎn)無法達(dá)到宇宙速度的極限。
要實現(xiàn)這一點，我們將需要無限大的能量，在此過程中，物體的質(zhì)量也會變?yōu)闊o限大，這當(dāng)然是不可能的。光的粒子之所以稱為光子，并能夠以光速運動，是因為他們不具有質(zhì)量。
愛因斯坦之后的物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些單位可以達(dá)到超光速狀態(tài)，同時仍遵守狹義相對論中的宇宙定律。這些現(xiàn)象并沒有違背愛因斯坦的理論，而是讓我們更深入地理解了光的奇異行為以及奇妙的量子世界。
當(dāng)物體的速度突破聲速時，會產(chǎn)生音爆。所以在理論上講，如果有物體運動速度超過光速時，可能也會產(chǎn)生類似的“光爆”。實際上，這種現(xiàn)象在我們的世界上普遍存在，你用肉眼就可以看到。它叫做切連科夫輻射，在核反應(yīng)堆中會呈現(xiàn)為藍(lán)色輝光。
切連科夫輻射以蘇聯(lián)科學(xué)家帕維爾·阿列克謝耶維奇·切連科夫命名，他于1934年首次詳細(xì)記錄了這一現(xiàn)象，并因此于1958年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。
切連科夫輻射之所以呈現(xiàn)出藍(lán)光是因為反應(yīng)堆的核心被浸沒在水中冷卻。在水里，光的速度只能達(dá)到其在宇宙真空中的75%，但是核反應(yīng)所產(chǎn)生的電子在水中的速度要大于光的速度。
諸如電子這樣的粒子，當(dāng)其在水中或者其他介質(zhì)中(比如玻璃)的運動速度超過光速時，將產(chǎn)生類似于音爆時產(chǎn)生的激波。
舉例來講，在火箭升空時，會在其頂部前方形成壓力波，并以聲速離開。火箭距離音障越近，壓力波需要逃開火箭路徑的時間就越少。一旦火箭達(dá)到聲速，壓力波積聚并產(chǎn)生音爆巨響。
相似地，當(dāng)電子在水中的運動速度超過光速，也會產(chǎn)生一種有時呈現(xiàn)為藍(lán)色輝光的激波，不過有時也會是紫外線的形式。當(dāng)然，這些粒子在水中超過光速的時候，它們并非突破了宇宙速度的限制，即30萬公里每秒。
我們要知道，愛因斯坦的狹義相對論已經(jīng)闡明：具有質(zhì)量的物體無法超越光速。以目前物理學(xué)家的認(rèn)知，我們的宇宙確實遵守這一法則。不過那些沒有質(zhì)量的東西呢？
光子，就其本質(zhì)來說是無法超越光速的，但是光的粒子并不是宇宙中唯一不具有質(zhì)量的東西。真空空間不具有物質(zhì)實體，也就是說不具備質(zhì)量。“那只是虛無的真空，其膨脹速度是可以超越光速的，因為沒有什么東西需要打破光障，”理論天體物理學(xué)家Michio Kaku說，“真空空間的膨脹一定能夠超越光速。”
這正是物理學(xué)家們認(rèn)為的在宇宙大爆炸后立即發(fā)生的極速膨脹，該理論首先由物理學(xué)家Alan Guth和Andrei Linde于上世紀(jì)80年代提出。在兆兆分之一秒內(nèi)，宇宙不斷重復(fù)地復(fù)制自身體積，于是，整個宇宙外部邊緣的擴張速度極其之大，遠(yuǎn)超過光速。
“如果兩個電子足夠靠近，根據(jù)量子理論，它們將同時振動。”Kaku介紹到。現(xiàn)在，假如我們把這兩個電子拆開，讓它們相聚數(shù)百或者數(shù)千光年，它們?nèi)詴３种@種即時通信橋梁。
“如果我晃動其中一個電子，那么另一個會立刻感知到這個振動，這比光速還要快。愛因斯坦認(rèn)為這違背了量子理論，因為任何東西都不能超越光速。”Kaku寫道。
實際上早在1935年，愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基還有納森·羅森曾試圖借由一個思想實驗推翻量子理論。愛因斯坦稱之為“詭異的超距作用”。
諷刺的是，他們在論文中提出了我們今天所謂的“EPR悖論”，它描述了這種量子糾纏的即時通信——這是世界上一些尖端科技中不可或缺的部分，比如量子密碼學(xué)。
既然帶質(zhì)量的東西都無法超越光速，我們可以和星際旅行說再見了。至少，就傳統(tǒng)意義的宇宙飛船和太空飛行來講是這樣。
盡管愛因斯坦的狹義相對論讓我們的深空旅行夢想破滅，他仍憑借1915年提出的廣義相對論為星際旅行帶來了新的希望。狹義相對論把質(zhì)量和能量捆綁于一處，廣義相對論則將時間與空間編織在一起。
“突破光障的唯一可行辦法大概就是通過廣義相對論的時空扭曲，”Kaku表示。用通俗的話說，就是蟲洞。理論上講，我們可以瞬間跨越巨大的距離，也就是說打破宇宙速度的限制，在極短的時間內(nèi)完成長距離旅行。
1988年，理論物理學(xué)家Kip Thorne曾通過愛因斯坦的廣義相對論方程預(yù)測了蟲洞永遠(yuǎn)打開供時空旅行使用的可能性。不過為了保證蟲洞的可通過性，必須有來自外界的奇特物質(zhì)來加以維持。Kip Thorne是一年前火爆全球的影片《星際穿越》的科學(xué)顧問兼執(zhí)行制片。
Thorne在他出版的《The Science of Interstellar》中寫道：“多虧了不可思議的量子物理學(xué)定律，現(xiàn)在看來，那種外來物質(zhì)是可以存在的。”
實際上這種所謂的外來物質(zhì)已經(jīng)在我們地球的實驗室里制成，只不過非常微量。當(dāng)Thorne在1988年提出關(guān)于穩(wěn)定蟲洞的理論時，他號召物理界幫他一起確定宇宙中是否存在足夠的外來物質(zhì)以支持蟲洞的出現(xiàn)。
“這引發(fā)了眾多物理學(xué)家的不斷鉆研。然而近30年過去了，時至今日我們?nèi)詻]有得到答案。”盡管目前的進展并不樂觀，不過Thorne斷言，“我們距離終極結(jié)論仍有很長的路要走。”
［作者介紹］知社學(xué)術(shù)圈，海歸學(xué)者發(fā)起的公益學(xué)術(shù)交流平臺，旨在分享學(xué)術(shù)信息，整合學(xué)術(shù)資源，加強學(xué)術(shù)交流，促進學(xué)術(shù)進步。
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