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10个关于超光速运动的炫酷理论


关于光速的问题要追溯到2500年前希腊哲学家恩培多克勒(Empedocles)第一次宣称光的速度是有限的时候。光行进的很快,以至于它可以在一秒内于伦敦和纽约之间来回穿梭超过50次,速度相当于一秒超过299792.458千米。光速在物理学中有着很重要的作用,因为它是爱因斯坦的相对论建立的理论基础之一。爱因斯坦的著名公式不仅同时被科学家和非科学家用作参考,并且他所提出的相对论为现代物理学的建设奠定了基础。尽管爱因斯坦的理论为他带来了声誉和成就,但这些理论持续地在现代物理学研究中引发问题。这是因为,根据爱因斯坦的理论,任何有质量的物体都不会以超光速的速度运行。这可能是物理学中的一个基本定律,但是随着时间的推移,科学家们发现爱因斯坦的理论比他们原先认定的更为灵活。以下是关于超光速运动的十个酷炫理论。

10.爱因斯坦的狭义相对论认为物体不可能超光速运行
直到阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)写出E=mc^2公式后,物理学家才真正理解质量和能量之间的重要关系。爱因斯坦的理论让20世纪的科学家们突破了经典物理学世界的限制。爱因斯坦创立了两大理论:狭义相对论和广义相对论。

相对论认为当两个物体运动时,它们在以一个相对于对方的速度移动着。每个人都拥有自己的时间认知,这取决于人们各自的运动速度。狭义相对论只在单一的运动状态下发生。例如,如果你正在做匀速直线运动,就在狭义相对论范畴之内。通过他的理论,爱因斯坦反驳了绝对速度的概念并证明所有运动都是相对的,除了光的运动。物体运动的越快,就有越大的质量,而且运动的时间越短。所以,如果有物体要超过光速,它会及时向后运动。然而,光以同一个速度运动,不以时间变化而变化。爱因斯坦的理论有两个规定。第一,光速不可改变。第二,无论你在哪,物理学定律不变。光线依据相对论以一个有限的速度运动。光速恒定但是时间不是绝对的,而且一个运动状态下的时钟会比静止的走得慢些。

爱因斯坦成名的原因不止因为他的理论至关重要,而且因为他和他的同事们在同一时间所做的事背道而驰。大多数物理学家做实验失败时,他们会认为实验本身有瑕疵而理论是无误的。但是,爱因斯坦会认为实验结果是正确的而理论需要相应地更正。爱因斯坦还十分相信因果关系,这是相对论的重要组成部分。因果关系是指每一个结果都有其起因的理论。这是经典物理学的重要定律之一。爱因斯坦关于量子理论的最大担心是量子理论抛开了因果关系。的确,现在有很多对相对论的曲解包括了这些类型的事件。

9.没有人真正知道超光速运动的意义
我们很难准确把握住超光速运动的意义。超光速运动与相对论的原理相悖,并因此被基本物理学定律认为不可能发生。超光速并不是可以简单解释为一个粒子在以超过299792.458公里每秒的速度运动着。超光速运动时会不一样,因为一些过程可以超过这个速度运动,但是这些过程不能携带信息。但是,这个论述也无法解释真空状态下的光线运动。以上这些解释都不与狭义相对论冲突,所以也都没有阐明超光速运动的条件。科学家知道的关于超光速运动的理论大多不是关于这意味着什么,而是这不意味什么。相对论的定律需要一个相对的速率,这就意味着速率取决于个体。

超光速运动的一种方法是通过一个虫洞去做,它会让你有可能不需要通过当地的空间,从宇宙的一边到达另一边。然而,有一个区别需要注意,因为这不是在当地做超光速运动,而是扭曲相对论定律并在全球范围内超光速运动,这是两个不同的概念。穿过虫洞意味着扭曲了时空而不是在穿越旅行。你可以这样考虑它:如果两个人在比赛跑步,其中一人突然弯身钻入了树篱,并且比另外一个人早两分钟通过终点线,他是否就比按规定路线比赛的人快了呢?

8. 从理论上来说,找到比光速快的粒子是可能的
中微子是宇宙中的基本粒子,但要检测到它却非常不易。中微子类似于电子,但它们不带电,所以它们不会像电子一样受到电磁力的影响。正因如此,中微子能在物质中长距离穿行。先前有证据表明中微子具有质量,但就算从粒子标准来看,其质量也是微乎其微的。一篇发表于2014年12月的论文声称,中微子的运动速度不仅可能快于光速,实际上还快于其能量的消耗速度。1998年,超级神冈探测器(The Super-Kamioskande)找到了中微子质量非零的证据。最新的一篇论文声称这些粒子具有“虚质量”。具有虚质量意味着某事物有一个负的质量值,就好比用虚数表示负数的平方根。可能听上去有点儿奇怪,但这也是其与爱因斯坦相对论不符的部分原因——在爱因斯坦相对论中有这样一个理论:质量会随着速度的增加而增大。该论文表明确实存在运动速度比光速快的粒子,且它们都具有质量。若此理论经证实,就意味着有质量的粒子可能运行得比光速略快——这是到目前为止都不可能实现的。不过该发现并非意味着有任何事物的运动速度可以比光速快。对科学家们来说,就算证实了中微子可以做到这一点,这仍只是个特殊发现,意味着还有一些关于粒子的重要内容未被发现。

目前有这样一种说法:若中微子的运行速度真的能比光速快,科学家们就能利用中微子将他们传送到过去传递信息了。比光速还快的通信交流,基本上相当于时空旅行。

7. 虽然光速旅行只是个梦想,但我们也许能做到光速通信
如果我们最终去到了其他星球上生活,会发生什么呢?我们该怎么从最遥远的宇宙空间传递和接收信息?以光速发送一条消息到月球需要1.3秒,甚至可能比视频聊天的延迟速度还要快。然而,如果火星成为人类的居住地,那么消息到达目的地的时间将会显著增加:如果以光速发送消息,全程将花费大约12.5分钟。如果我们试着与最接近的启动系统进行通信,那么一条信息将需要四年的时间来传递。以光速发送消息称为超光速传播,就目前看来,这仍然只是个假设。大多数成功的试验并未违背爱因斯坦广义相对论的理论,这说明实际上它们并未达到光速,也未携带任何信息。有一种可能是通过虫洞传递信息,但这种可能性是需要前提的:假设虫洞是存在的,且人类可以通过它传递信息。而目前这两者都是未经证实的。

爱因斯坦的理论表明,我们不能提高传输速度,但科学家认为,我们可以增加传输的信息量。如果科学家们能够增加传输的宽带,特别是能够在此基础上压缩数据、减少错误,那么他们就可以每秒发送更多的数据。同样地,这并非意味着所有信息都能够以光速传送了。不过我们知道光速是恒定且牢不可破的,所以找到一条捷径还是有希望的。

6. 科学家认为通过奇异物质最有可能传送比光速还快的信号
奇异物质就是与普通电子和光子不同的物质。奇异物质形式众多,比如暗物质,负质量或者虚质量。其实奇异物质完全就是猜想,因为它的理论违背了物理规律,而且还没有证明它确实存在。举例来说,物理学家能肯定什么不是暗物质,但是却不知道什么才是真正的暗物质。

奇异物质在量子物理领域解释了一些极大的悖论。负质量的概念是指一个质点向作用力相反的方向运动,而虚质量由于带有负质量,是唯一可以以光速运动的粒子。所以,奇异物质在时间和空间有不同的反应,本质上可以做到时空穿越。当奇异物质在太空以极快的速度通过时,它就会穿越到过去。奇异物质不和其他物质相互作用。科学家会例行做实验,希望可以观测到这些奇异物质。有时候,他们必须到地下深层,在与外界完全无接触的无菌环境下进行实验。奇异物质虽然难以捕捉,但却是唯一可以彻底打破相对论法则的物质,以便让粒子的运动速度快于光速。

5. 量子相互作用比光速还快
量子纠缠(运动)是唯一一个证明了粒子运动快于光速的反应。量子纠缠的具体表现是:根据量子理论,如果两个电子靠近,他们就会一致震动;但如果将两个电子分开,他们之间就会产生一条隐形纽带,即便他们之间被分隔开不可思议的距离,甚至在宇宙两端,这条纽带都会将(两端的电子)连接起来。量子纠缠表明如果你移动一个电子,与之相连的另一个电子能够立刻察觉,这个察觉速度比光速还快。 爱因斯坦把这个(现象)称为“幽灵般的超距作用”。最近,中国科学家想要测量纠缠粒子间的瞬时反应速度,他们提出纠缠粒子间可能发生反应的最慢速度也会比光速快10,000倍。但是科学家不可能像用手机一样操作纠缠光子,他们没办法控制另一个与之相连的光子,并且在实验之前也无法一直掌握两个光子的状态,所以这个测量对量子物理学没多大意义。本质上,量子物理学必须要接纳一切可能的答案。它现在处于一个不断变化的状态,可以允许任何实验得出不同的理解。虽然总体上具体数字对科学家们来说意义并不大,但是在纠缠光子运动领域做研究的科学家却是乐在其中,希望能够发现他们运动速度的上限。

量子纠缠也可能与神秘的虫洞有关联,但是虫洞到现在也还只是一个空间假说。

4.虫洞是超光速旅行的一个关键要素
一个臆想出的虫洞,就像科幻小说描述的那样,可以提供一条捷径使人从宇宙的一个地方穿越到另一个地方。然而,事实上人类并不能通过虫洞旅行或是发送信息。当两个黑洞互相纠缠后再分开,就有可能出现虫洞。原子距离的远近无关紧要,只要发生纠缠,即使它们在宇宙的两端,它们也会相连。

这种情况也发生在黑洞上。如果两个黑洞相互纠缠,它们可能跨越很远的距离通过虫洞相连。黑洞可能像一个原子那么大,也可能超过太阳的尺寸,它们的引力强度非常大,即便是光也无法从黑洞中逃脱。如果你掉到黑洞里,你可能会被巨大的引力压得粉碎。

虫洞在量子科学领域中非常重要。尽管虫洞并没有被充分理解,却因此产生了两个数学派别共同对该问题进行研究,最终促进了量子纠缠被更加广义的理解。

3.星际迷航的曲速引擎并不完全是幻想
美国航空航天局(NASA)已经致力于曲速引擎这个概念。如果可能,它将使宇航员在不同行星间穿梭的时间大大缩短,从几十年甚至数千年缩短到几星期或者几个月。哈罗德·怀特博士(Harold White)相信,使时间和空间弯曲是完全可能的。美国航空航天局的团队正在试图找到利用时空膨胀和时空收缩的方法。哈罗德·怀特博士认为可以设计一个类似于星际迷航中企业号航空母舰(USS Enterprise)那样的宇宙飞船,如果这个工程可以顺利完成,那么人类的时空旅行将进入一个全新的时代。宇航员和科学家可以及时地到达其他星系参观游览,这将为该领域的研究打开全新的视野。其他物理学家认为:尽管美国航空航天局的梦想不会在短期实现,但是它终将成为现实。

曲速引擎并不是唯一在星际迷航中可能被利用到的物理学理论。星际迷航中还强调了一种叫做超光速的粒子,据说它自然存在的速度超过了光速,在科幻小说中经常与时空旅行联系在一起。截至目前为止,这种粒子仍然是一种假设,但是欧洲物理粒子研究所(CERN)有希望在2011年发现超光速粒子。

2.米格尔·阿库别瑞(Miguel Alcubierre)认为有望实现曲速运动
米格尔·阿库别瑞(Miguel Alcubierre)发布理论认为曲速引擎有望实现。这一理论由于没有违背爱因斯坦的相对论而显得格外特别。根据这一理论,如果拥有一个形似气泡的理论驱动系统,曲速引擎可能成为现实。这一系统将在波浪中延伸时空,使宇宙飞船前面的空间结构收缩,并使其后面的空间扩张。当这种情况发生时,飞船可以乘坐所谓的“波浪”,加速到极高的速度,然而并未完全到达光速。正因如此,飞船将被地球本身的时空推开,拉向一个遥远的目的地。阿库别瑞之所以得出该理论其实是反向运用了爱因斯坦场方程。阿库别瑞虽不是第一个发现物质和能量的分布与空间时间的人,但他是首先发现时空并从中寻找能量和动量的人。

许多人都对时空扭曲持怀疑态度。就算同意这是合理的,阿库别瑞博士也质疑曲速引擎的可能性。曲速引擎最大的担忧是:太空飞船所需的波长或空泡不能从船内发出的信号里找到,科学家们既不能打开也不能关闭该波动。这使得曲速引擎似乎非常难,甚至不可能被驾驭。但是,作为现代科学中最伟大的发现,它足以受到重视。

1.最终,宇宙的膨胀速度将超过光速
物理学家称,宇宙运动速度最终会比光速快,但这不是一个简单的命题。大爆炸时,宇宙中所有物质都在向各个方向推进,至此以后宇宙就一直在膨胀。宇宙膨胀速度极快,没有上限。随着宇宙空间的扩展,星系不会穿越宇宙,而是随之移动。这并不违反爱因斯坦的理论,因其理论规定,在真空中任何物质的速度不能超过光速,因为宇宙是虚无的。

爱因斯坦的相对论在逻辑和科学方面都是合理的,经受了上百年的检验,时至今日,仍是物理学的基础。爱因斯坦的理论认为,没有任何物体运动速度能比光速快。但如今,科学家们对该理论加以变形——允许粒子以每秒30万公里以上的速度运动。然而,这些都是曲解而并非直接违背该理论。世界各地的物理学家们仍然在寻找那些极其罕见的奇异物质,以期惊鸿一瞥。实际上我们已知宇宙的95%是由奇异物质构成的,余下的5%是由构成我们世界的光子、电子和原子组成。然而,奇异物质虽然近在眼前,却仍然无法被发现。美国航空航天局(NASA)可能用一百年时间能创建出一艘媲美科学幻想中星际迷航的太空飞船,但物理学家大概从未看清奇异物质的面貌,而只得到一些它不是什么样的线索。量子物理学的理论依赖于机会、希望和潜力。未来若想达到比光速更快的速度,这些也是必须的。
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