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超越光速并不是开玩笑 未来可行

2015-11-01

打破宇宙速度极限,爱因斯坦说这是不可能的,但是Jennifer Ouellette说仍有一些科学家尝试打破这个极限——即使它意味着扭曲物理定律。
人类不可能以超过光速的速度旅行,当然,人们也不渴望那样,因为帽子会不断被吹掉的。
——Woody Allen,《副作用》(《副作用》是一部讲述医学医德的电影 )
去年夏天,欧洲的名为奥佩拉(乳胶追踪中微子震荡计划)的中微子实验震惊了全世界,他们最初宣布了中微子以极其微弱的优势实现了超光速,而计时结果显示两者差距不足一秒。这一消息的风头甚至在短时内盖过了大型强子对撞机正在进行的寻找希格斯玻色子的风头,而寻找希格斯玻色子的努力是被更广泛认可的。
尽管科学家对此讳莫如深,但是人们的想象力一下子从中微子跳到了能够实现快速星际旅行的真正意义上的宇宙飞船。毕竟几十年来,科幻小说的主打看点就是对实现超光速旅行的展望,从虫洞还有《星际迷航》最初的翘曲飞行,直到发生在SyFy重新包装的《太空堡垒卡拉狄加》里的桥段,用超光速的“跳跃”来逃离赛昂人的方法,都体现了这一点。如果用现在的推进技术,要穿越广袤的宇宙,恐怕要花上几年、几十年甚至几个世纪——如果在影视作品中像这样如实描述平淡无奇的太空旅行很可能会引起观众一阵质疑 :“神马情况?”
所以即使中微子仅仅以纳米秒级的优势领先光速,而且这个结果仍值得商榷,但是在奥佩拉宣布这一结果之后,必然会引起一阵激动。虽然以这一优势很难逃脱赛昂人,但是仍然比光快,光速可是阿尔伯特.爱因斯坦早在1905年就设定好的宇宙速度的极限啊。
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而不幸的是,当初的兴奋还为时过早:奥佩拉的结果是不正确的,这一切都是因为校准误差。用来确定中微子全程用时的GPS系统的电缆连接错误是罪魁祸首。不解风情的爱因斯坦又赢了。
而如果要说奥佩拉事件真的告诉了我们什么的话,那就是继续给人以想象空间的超光速这个概念。正如最近好莱坞电影编剧Zack Stentz(他是《托尔》,又名《维京人在宇宙》的编剧)在一次以探讨超级英雄科学性为主题的洛杉矶座谈中说到:“每个想要在(有生之年)逃离太阳系的科幻小说家都深知这一点。正是飞跃的信念才让你们可以将故事娓娓道来,彰显出更加宏伟的画卷。”
无法改变的物理定律
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“飞跃的信念”是用在这里是特别恰如其分的。因为事实就是我们永远不可能以超光速的速度旅行,这是在至少目前为止已经建立起来的物理学大厦基础上的理解。
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对于任何拥有很大加速的物质来说——以大型强子对撞机里的质子为例——它吸收着能量,如果需要进一步的加速,总是需要再多一点点的能量。大型强子对撞机是我们拥有最庞大的以及最高速度的粒子加速器,它可以将粒子的速度推到我们能够达到的最接近光速的速度,但是它从来没有创造过完全达到过光速的记录。如果某个质子真的达到了那个速度,如果它需要更快速度的话,那需要的能量也是无穷的,而我们并没有供给无穷能量的能力。
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方程式从来不说谎,特别是那些在超过一个世纪的时间里已经经过了无数实验验证和反复验证的方程式。光速,从现实的任何一方面来看,是一道无法逾越的鸿沟。
但是物理学家如果这般容易地缴械投降的话,那他们永远不会有进步,没有人认为爱因斯坦的理论会永远说得算。即使到目前为止没有任何实验支撑这一点,很多科学家仍很乐意思考推翻相对论的可能性。
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叫做速子的假想粒子能够打通光速的壁垒,它是在超光速方面最早提出的假设之一。结果证明它更像是一种数学模型打造出来的人造物质而不是一种实际的物理意义上的粒子。
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然而,奥佩拉引起兴奋之情的另一个原因可以追溯到1985年,物理学家提出一些高能量的中微子真的可能成为速子,它们能够和未知的场强互动,使得它们有足够的能量支撑来突破壁垒。这种类速子的中微子可能会取代光子成为宇宙中最快的粒子。
奥佩拉的校准误差将那些希望完全粉碎了,但是还是有很多的潜在的漏洞让我们来探索,比如星际迷航版的翘曲引擎机理,这个假设是由墨西哥物理学家Miguel Alcubierre在1994年首先提出的。在广义相对论中,时空是动态的,不是静止的,它会随着巨大能量的存在而扭曲和弯曲。Alcubierre假设我们有可能把宇宙飞船包裹在“曲速泡”里,在飞船之前的空间会塌缩,在其之后的空间会延展,这样它就超过光速了。但是在那个泡泡里面的时空在本质上保持平坦,从技术意义上来说,飞船“遵循”着宇宙速度的极限。
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唉,我们又再次面临着能量问题:要达到那样的时空弯曲程度是需要巨大的能量——需要相当的负能量——其当量相当于木星的质量。要驱动宇宙飞船穿越银河系需要的能量会比我们在整个宇宙中寻找到的总量还要多。翘曲引擎的环形设计能更加节约能量,在最近一次星际空间飞行的研讨会上就探讨了这样的设计,他给倔强的宇宙信徒带来了一丝希望,未来几代人把翘曲引擎变为现实的希望。
然而就目前我们所知的广义相对论和量子场论来说,“这几乎是不可能完成的任务,”一位宇宙学家Ken Olum在塔夫茨大学说到。“当然,如果谈到量子引力,情况就难以捉摸了,因为我们还不知道那究竟是什么。”
前NASA科学家Kevin Grazier是《太空堡垒卡拉狄加》科技顾问,他说在系列剧中,他们就运用了阿库别瑞(Alcubierre)版的翘曲引擎来启动“跳跃式驱动”。在这个科幻的世界里,人类殖民者将电磁理论和重力理论结合了起来,这样就建立了一个非常强烈的电磁场,它从功能上就等同于创造了一个能够扭曲时空的强重力场,而翘曲引擎就是建立在这样的假设之上的。把这个新颖的科幻故事变成真正的现实又是另外一件事了。
Brane gain
膜宇宙
如果我们真的要赌上一把的话,Olum觉得如果一些艰涩的理论,比如从超玄理论引申出来的理论是正确的话,超光速旅行就会成为可能。
我们居住在四维的时空里,但是通过超玄理论的不同排列情况告诉我们说我们的宇宙只是众多宇宙中的一个,它们共存于一个五维时空的泡泡里,我们称之为“体宇宙”。在体宇宙中,我们的宇宙和其它的宇宙平行地排列在一起,就好像书本的书页一样。Olum解释道,假设说,如果有人可以在体宇宙中寻找到捷径,那比起在四维平面,我们也称之为膜的空间里旅行,他就能够更快地快到达你的目的地。
即使这个理论能够成立,还有个悬而未决的问题。“在膜理论中,只有引力子才能在体宇宙里穿梭。”Olum说。所以我们就需要发明一种机器,它能够扫描对象,并且将信息以引力子的形式传输到另一端的第二个机器中,这样就能够重构对象——这就令人想起了瞬间转移,而仅仅通过引力子就能实现。
考虑到目前我们在最给力的加速器中还没有观察到引力子的存在,而目前的远传记录仅仅是将一小束原子远传到了143千米(88英里)以外,一切是在没有赛昂人干扰下完成的,于是完全实现远传机器的情景也仅仅只能牢牢定格在在科幻小说的领域中,至少目前来说,情况是这样的。科学在进步,但是进步太缓慢了,现在科学的步伐和光速之间简直差了十万八千里。
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