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真假超光速

目前的物理学告诉我们,宇宙中不存在超光速运动的物质。但是一些所谓的超光速现象挑战了物理学原理。这些现象中,哪些是真正的超光速?哪些是虚假的超光速?也许宇宙中真的有超光速的物质等待着我们去发现。

虽然爱因斯坦说,宇宙中没有比光速更快的速度了,但是今天的物理学家经常谈论一些超光速现象,这些超光速到底是真是假?爱因斯坦的相对论错了吗?

下面,就让我们先从与相对论有关的现象开始分析吧。

亚光速的飞船,超光速的感受

假设有一颗距离我们40光年远的星球A,有一位宇航员现在20岁,假设他的寿命大限只有59岁,那么他乘坐一艘接近光速行驶的飞船向这颗星球行驶,在他有生之年能否到达星球A呢?

相信一般人都会遗憾地认为,这位宇航员在到达星球A之前就会在飞船上死去了。但相对论专家却会说,他不仅能够到达星球A,他甚至能够在有生之年到达上千光年远的星球B!

为什么?

亚光速飞船目前还没研制出来,但科学家在实验中遇到过类似的情况。例如一个放射性粒子的寿命很短,大约0.1毫秒。如果让这个放射性粒子以接近光速运动,那么根据它的寿命乘以光速,在这么短的时间里,它只能走300米就一命呜呼了。可实际上,它走过的距离往往远得令人吃惊——可能会走过几千米的距离。

难道它以超过光速好几倍的速度在运动?

现在让相对论专家用飞船的例子来解读一番。别忘了,爱因斯坦认为任何物体若接近光速运动,都会出现明显的“钟慢尺缩”效应。就是说,当飞船接近光速行驶时,在地球人看来,飞船上的时间变慢了,变慢的程度与飞船的速度有关,飞船的速度越是接近光速,时间变得就越慢。

飞船上的人虽然觉得自己的时间没有什么变化,但他会感觉飞行距离变短了,地球人看到的1千米,宇航员则感觉或许只有0.1千米。同样,距离变短的程度也是与飞船的速度有关。

那么在上面那个例子中,假设星球B距离地球上千光年,但宇航员却能到达星球B再返回。在地球人来看,时间过了几千年,宇航员活了或许有几千岁!而宇航员会认为地球人全弄错了:我只活了59岁,之所以能到达星球B,是因为星球B的距离根本就没有地球人说的那么远,也就是十几光年的样子,因此在我39年的宇航生涯中,我能够在地球和星球B之间飞个来回。

但当他真的返回地球的时候,他就会惊讶地发现,地球上的时间已经过去了20个世纪了!

在这里,如果宇航员看不出星球B的距离缩短了,因为他也没有什么测量工具,只是在地球上的时候,科学家告诉他,星球B距离地球上千光年,但是他只用了十几年就到了,于是他就会想,原来我的飞船已经达到了超光速啊!

这就是宇航员的超光速感受,这种感受与上述科学家面对近光速运动的粒子时的困惑是一样的。但这实际上是钟慢尺缩效应引起的,并不是真的在超光速运动。

借助虫洞实现超光速时空穿梭

爱因斯坦虽然在狭义相对论中规定宇宙中速度的上限是光速,但是在广义相对论中,却隐含了一种时空弯曲引起的超光速现象。

如果时空弯曲成了很扁的球形,例如类似南瓜那样的形状,那么正常情况,光沿着扁球的表面飞奔,速度只能是光速,但是如果扁球开个洞,就像在南瓜柄和南瓜蒂的部位打个洞,光如果从这个洞的直线距离穿过去,要比沿着南瓜表面行走的距离短多了。对于在“南瓜”表面生存的人来讲,光从南瓜柄到南瓜蒂的速度是超光速的。

宇宙中的虫洞就是这样的情况。简单地说,“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。从虫洞中穿越的飞船,其速度在人看来,很可能超过光速很多倍。甚至通过虫洞,可以一步从这个宇宙踏入另一个宇宙。但如果光按部就班地传播,从这个宇宙到另一个宇宙则要千百亿年呢。

宇宙是非常复杂的,宇宙中的时空不知会弯曲成什么样子,因此从A点到B点,可能会有很多条路线,选择捷径,就可以让飞船的速度超过光速。

现在有一种负能量的概念,被负能量包围的飞船可以对时空造成很大的影响,飞船前进时,可以让前面的时空收缩,后面的时空膨胀,相当于被负能量包围的飞船在时空中走了捷径,在地球上的人看来,飞船速度也是超光速的。但我们追究飞船的实际速度,也还是没有超过光速。

转动导致超光速

阴天的夜晚,把手电筒朝向天空照射,我们会看到云朵上手电筒光束留下的光斑。如果晃动手电筒,天上的光斑就会快速移动,其速度要比我们晃动手电筒的速度快千万倍。

如果把手电筒换成地球卫星上的激光器,把云朵换成远方的水星,那么,激光器发出的激光扫过水星的速度,能不能超越光速呢?

当地球与水星位于太阳的同一侧时,水星与地球的最近距离约为1亿千米,也就是激光器扫过水星的半径至少是1亿千米,那么激光器转动的速度只需要大于36度/秒,就可以让激光光斑扫过水星的速度大于光速!

但实际上,这不能算是真正的超光速,因为它不是同一束光子在水星上的运动,而是不同的光子掠过水星,每个光子到水星的速度还是没有超光速。

这种因转动导致的假超光速现象比较常见,宇宙中脉冲星发出的光束扫过地球的速度就是超光速的。不过脉冲星的光束穿越宇宙空间传过来,沿途有什么物质,通过分析脉冲星的光束,科学家还是能略知一二,但这种携带了物质信息的光传过来也是光速。

还有个类似的情况,由于地球的自转,天空中的星星看上去每天都会围绕我们转一圈,所有的星星围绕地球旋转一圈的时间几乎都可以认为是24小时,如果一颗星星距离我们很远,那么在我们看来,它围绕地球旋转的速度应该就是超光速的。经计算,距离地球超过1500亿千米的星星围绕地球转一圈,经过的距离就会大于光在一天内走过的距离,那么它们在地球人眼中就是在以超过光速的速度旋转。

这种情况当然不是真正的超光速,而是地球自转导致的相对转动,这种超光速现象可以说只是人的视觉感受或想像。

返光的超光速膨胀

你如果面对山谷喊一声“你好吗?”,一两秒后,就会传来回声,也是“你好吗?”,但有可能是连续几声问好,一声比一声小,颤悠悠地在山谷回荡。这就是声音的回声现象。

让人想不到的是,光也有类似回声的“返光”现象,“返光”也会重复不断,在一定宇宙空间中“回荡”。宇宙中经常有超新星的突然爆发,天文学家发现,一颗超新星爆发后被我们看到,之后还会接二连三地看到这颗超新星爆发的景象,与第一次看到的景象一样,只是影像被放大了,变得有点虚了。天文学家告诉我们,这之后看到的一个比一个大的超新星爆发图像就是超新星爆发的“返光”!

原来,宇宙中遍布着星云和疏密不同的星际物质。这些物质的分布会形成宇宙中的“山谷”,反射突然出现的强烈光,把向四面八方传播的光反射到地球,人也就看见了宇宙“山谷”的“返光”。

在观察“返光”的过程中,科学家发现了一个难解的现象:上面已经说过,我们看到的返光图像会越来越大,越来越虚。但不可思议的是,有时科学家会看到返光图像的大小在几个月内扩大了几光年!图像的扩大是因为光向外传播后又被反射到地球引起的,上面的现象意味着,光在几个月里走完了几年才能走完的路程!

对于这个问题,科学家还没有真正搞清楚是怎么回事,有的科学家猜测,很可能超新星发出的光遇到了类似凹面镜的反射,地球人看到的图像扩大了,不仅有光向外传播的原因,还有凹面镜放大的作用。

比较类似的情况还有类星体的超光速喷流。

例如宇宙中的一个特殊的类星体,它向外喷出的物质形成两股相互远离的喷流,这喷流相互远离的速度,在地球上观察和计算,是光速的10倍左右!并且,类星体与地球的距离越远,得出的远离速度就越大。

对此,科学家曾提出了很多猜测,有的科学家认为,类星体也许是发射激光的普通恒星,距离我们很近,例如向来认为距离地球20多亿光年的类星体,很可能距离我们只有几千万光年,这样计算得出的喷流远离的速度也就不会超过光速了。

也有科学家认为,类星体的超光速喷流类似上面的“返光”超光速膨胀现象,可能我们观察到的喷流是被周围星云反射过来的影像,这影像被凹面镜似的反射放大了。当然还有其它一些推测,但很少人认为,类星体的喷流就是超光速的。

宇宙的超光速膨胀

上面说的种种超光速现象,都不是真正的超光速。想必大家已经对寻找超光速有点儿失望了吧?

猛料来了,下面将给大家介绍真正意义的超光速!

首先,科学家认为,宇宙膨胀的速度可能不会受到光速的限制,会出现真正的超光速。

根据宇宙大爆炸理论,宇宙是从一个小点发生爆炸产生的,据计算,爆炸的最初,宇宙膨胀的速度就超过了光速。现在,科学家又告诉我们宇宙在加速膨胀,而且根据哈勃望远镜的观测发现,距离地球越远的宇宙空间,其膨胀的速度越快。这很容易理解,就像气球的半径越大,它上面的黑点之间相互远离的速度就越快。

那么有没有这种可能,在距离地球足够远的地方之外,宇宙膨胀的速度超过了光速?

宇宙的半径是137亿光年,这是我们目前能够观察到的宇宙范围,很多科学家分析,宇宙很可能要比137亿光年大多了。如果存在160亿光年之外的星球,那么由于它远离地球的速度超过光速,因此它发出的光永远也不会到达地球,那么地球人也就无法观测到这颗星球。同样道理,这颗星球周围的一切环境也就无法被地球人看到。于是对于地球人来说,160亿光年远的宇宙范围就是无,等于不存在。但很可能它是存在的。

光速在随时间变?

爱因斯坦的确说过,宇宙中没有比光速再快的速度了,但他可没有说光速不会随着时间而变化。

科学家通过一种叫做“宇宙结构常数”的公式来分析,如果宇宙的结构不随时间发生变化的话,那么光速的大小就会随时间不断变化。

这是什么意思呢?

我们目前的宇宙在膨胀之中,如果宇宙的结构不变,也就是宇宙中各种物体的比例和形状都不会变化,那么宇宙的膨胀,就是宇宙中的各个物体尺寸都是均匀地增大,也就是我们在增大,我们周围的物体在增大,我们用的量尺也在增大,但是用量尺去测量,我们还是那么高,物体大小还是那么大,我们感觉不到我们在膨胀。但实际上我们的尺寸已经随着宇宙的膨胀而增大了。

如果牵扯到光速,那就是光在一秒内走过的距离也因膨胀而增长了,实际上光在一秒内走过了更长的距离,但由于我们测量光走过距离的尺子也相应变长了,我们也就无法测出光速其实变大了。

举个例子,一个圆形气球气不足的时候,我们在气球上划出一段距离,假设是一厘米,我们用这距离作为标准去量气球的周长,得出气球的周长是10个单位,也就是10厘米。如果把气球吹得很大的时候,气球上划出的这段距离就变成了20厘米!这时用这段距离去量气球的周长,还是10个单位,但这时的周长已经达到了200厘米。这就是宇宙膨胀了,光在一秒内走过的距离也因膨胀而增长了。后来的光速超越了原来的光速。

微观粒子的超光速感应

超光速现象不仅可能存在于宇宙膨胀这么大的范围,还可以在微观的粒子身上观察到。

量子力学领域有一个被爱因斯坦称之为“鬼魅似的远距作用”的量子纠缠现象——如果两个电子通过某种方式实现了相互纠缠,那么当把这两个电子分开非常远的距离,即使它们相互之间分开几光年远,如果其中一个电子被刺激而改变了行为方式,那么几光年远的那个电子也会相应改变行为方式,这两个电子的行为改变几乎是瞬间的,不需要时间的,就像这两个电子之间存在幽灵感应一般。

也许你对此觉得很困惑。这确实很困惑,连最杰出的物理学家都一直在困惑,没有人知道为什么会这样,人们不知道这种现象将带给我们科学上的怎样发展。目前人们通过这种现象感觉到,极其微观下的时空可能非常怪异,宇宙在微观下也许是相互联系的,或者微观下的宇宙好像处处是捷径,又好像传递量子纠缠状态的力就是超光速的。

虽然很多人想过用这种量子纠缠现象来瞬间传递信息,科学家则会遗憾地告诉你,这种量子状态不能传递正常的信息,只能传递有关量子状态的信息。

这是什么意思呢?例如让量子A的某个行为发生变化,声音的振动可以让它这样变化,光子的碰撞也可以让它这样变化。但是量子A的变化只会让几千光年远的量子B也跟着变化,在这个过程中我们只是知道它们变化了,无论量子A还量子B都无法告诉我们,是谁让它们变化了。

当然,人们也可以按照量子A变化的次数和强烈程度来编成电报代码,例如如果是光引起的变化两次,声音引起的就变化一次,希望以此来传递信息。但这样的话,量子B也必须有相应的电报解读机才行,这样传递信息既复杂又很有限,目前只是设想而已。

神秘又神奇的快子

相对论认为,像光子这样没有静止质量的粒子能够以光速运动,但是任何有质量的粒子都无法达到光速,更不会超过光速。因为任何有质量的粒子在接近光速时,质量都会大大增加,当速度无限接近光速时,其质量就会变得无限大。因此普通粒子要想超光速是不可能的,也因此,由普通粒子组成的物质要想超过光速也是不可能的。

但是物理规律应该是对称的,早在1967年,美国物理学家温伯格就认为,既然宇宙中存在运动速度永远小于光速的普通粒子,宇宙中也应该存在速度永远大于光速的粒子,他把这种粒子叫做“快子”。

快子是一种什么样的粒子呢?根据猜想,如果这种粒子真的存在,那么它的质量应该是用虚数i来表示的,它的质量的平方等于负数。普通有质量的粒子相互之间存在引力,但是质量为虚数的粒子与普通粒子之间,或者没有任何引力,或者与普通粒子之间是一种斥力的作用。

这种粒子真是太怪异了,我们无法想象,当然现在也还没有探测到这种怪异粒子。不过,幽灵般的中微子引起了一些科学家的惊讶,所有恒星都会抛出大量中微子,但是它却难以被捕捉,说明组成它的物质非同一般,人们甚至还探测到了它的超光速迹象。它的质量问题也很扑朔迷离,它会不会是科学家预言的一种快子呢?

还有一种东西也可能是快子。我们在利用牛顿引力定律计算星球引力时,总是想当然地认为两颗星球之间的引力是瞬间变化,瞬间传递的,两颗相互绕转的星球之间相距多么遥远,我们都从来没有考虑过引力的传播需要时间的问题。

虽然忽略了引力的传播速度,我们在计算的时候从来没有出过什么纰漏。而且牛顿在提出万有引力定律的时候,是想当然地认为引力的传播是瞬间的。但实际上,引力可能是有传播速度的。既然我们的计算没有问题,就说明引力的传播速度非常非常快,就好像瞬时一样。

那么引力的速度到底是多少呢?有的科学家估计,引力的速度可能超过光速的万亿倍!

引力的本质、引力的速度对于我们来说都还是个谜。如果引力的传播需要粒子的话,那么这种传递引力的粒子很可能就是一种快子!

以上几例真正的超光速如果真的在宇宙中存在,必然对于目前的物理学具有颠覆性的影响,宇宙的面貌在我们眼中将变得更加光怪陆离。

本文源自大科技〈科学之谜〉 杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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