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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(gè)獨(dú)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(gè)世界的方式。
他的狹義相對(duì)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(jiǎn)單不過的E = mc2。這個(gè)公式告訴我們一切具有質(zhì)量的物體，其運(yùn)動(dòng)速度都不會(huì)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(qiáng)大的粒子加速器中完成的，比如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。
這些巨型的機(jī)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(jiǎng)得主David Gross解釋說(shuō)這些粒子永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到宇宙速度的極限。
要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們將需要無(wú)限大的能量，在此過程中，物體的質(zhì)量也會(huì)變?yōu)闊o(wú)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(yùn)動(dòng)，是因?yàn)樗麄儾痪哂匈|(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(shí)仍遵守狹義相對(duì)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生音爆。所以在理論上講，如果有物體運(yùn)動(dòng)速度超過光速時(shí)，可能也會(huì)產(chǎn)生類似的“光爆”。實(shí)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(huì)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(jiǎng)。
切連科夫輻射之所以呈現(xiàn)出藍(lán)光是因?yàn)榉磻?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(yùn)動(dòng)速度超過光速時(shí)，將產(chǎn)生類似于音爆時(shí)產(chǎn)生的激波。
舉例來(lái)講，在火箭升空時(shí)，會(huì)在其頂部前方形成壓力波，并以聲速離開?；鸺嚯x音障越近，壓力波需要逃開火箭路徑的時(shí)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(yùn)動(dòng)速度超過光速，也會(huì)產(chǎn)生一種有時(shí)呈現(xiàn)為藍(lán)色輝光的激波，不過有時(shí)也會(huì)是紫外線的形式。當(dāng)然，這些粒子在水中超過光速的時(shí)候，它們并非突破了宇宙速度的限制，即30萬(wàn)公里每秒。
我們要知道，愛因斯坦的狹義相對(duì)論已經(jīng)闡明：具有質(zhì)量的物體無(wú)法超越光速。以目前物理學(xué)家的認(rèn)知，我們的宇宙確實(shí)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(lái)說(shuō)是無(wú)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(shí)體，也就是說(shuō)不具備質(zhì)量?！澳侵皇翘摕o(wú)的真空，其膨脹速度是可以超越光速的，因?yàn)闆]有什么東西需要打破光障，”理論天體物理學(xué)家Michio Kaku說(shuō)，“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(gè)宇宙外部邊緣的擴(kuò)張速度極其之大，遠(yuǎn)超過光速。
“如果兩個(gè)電子足夠靠近，根據(jù)量子理論，它們將同時(shí)振動(dòng)。”Kaku介紹到。現(xiàn)在，假如我們把這兩個(gè)電子拆開，讓它們相聚數(shù)百或者數(shù)千光年，它們?nèi)詴?huì)保持著這種即時(shí)通信橋梁。
“如果我晃動(dòng)其中一個(gè)電子，那么另一個(gè)會(huì)立刻感知到這個(gè)振動(dòng)，這比光速還要快。愛因斯坦認(rèn)為這違背了量子理論，因?yàn)槿魏螙|西都不能超越光速?！盞aku寫道。
實(shí)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(gè)思想實(shí)驗(yàn)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?cè)谡撐闹刑岢隽宋覀兘裉焖^的“EPR悖論”，它描述了這種量子糾纏的即時(shí)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(wú)法超越光速，我們可以和星際旅行說(shuō)再見了。至少，就傳統(tǒng)意義的宇宙飛船和太空飛行來(lái)講是這樣。
盡管愛因斯坦的狹義相對(duì)論讓我們的深空旅行夢(mèng)想破滅，他仍憑借1915年提出的廣義相對(duì)論為星際旅行帶來(lái)了新的希望。狹義相對(duì)論把質(zhì)量和能量捆綁于一處，廣義相對(duì)論則將時(shí)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(duì)論的時(shí)空扭曲，”Kaku表示。用通俗的話說(shuō)，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(shuō)打破宇宙速度的限制，在極短的時(shí)間內(nèi)完成長(zhǎng)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(duì)論方程預(yù)測(cè)了蟲洞永遠(yuǎn)打開供時(shí)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(lái)自外界的奇特物質(zhì)來(lái)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(lái)，那種外來(lái)物質(zhì)是可以存在的?！?/p>
實(shí)際上這種所謂的外來(lái)物質(zhì)已經(jīng)在我們地球的實(shí)驗(yàn)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(shí)，他號(hào)召物理界幫他一起確定宇宙中是否存在足夠的外來(lái)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(shí)至今日我們?nèi)詻]有得到答案?！北M管目前的進(jìn)展并不樂觀，不過Thorne斷言，“我們距離終極結(jié)論仍有很長(zhǎng)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(tái)，旨在分享學(xué)術(shù)信息，整合學(xué)術(shù)資源，加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)學(xué)術(shù)進(jìn)步。
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