光速是速度極限？看看這些超光速現象：大爆炸, 量子糾纏和蟲(chóng)洞

當愛(ài)因斯坦提出宇宙中光速不變的時(shí)候，他也鎖定了光的速度上限，即30萬(wàn)公里每秒，實(shí)際上這僅僅是開(kāi)始。

以前，質(zhì)量和能量在人們眼中一直是兩個(gè)獨立的概念。但在1905年，愛(ài)因斯坦永遠地改變了物理學(xué)家看待這個(gè)世界的方式。

他的狹義相對論永遠地把質(zhì)量與能量捆綁在一起，表達形式是再簡(jiǎn)單不過(guò)的E = mc2。這個(gè)公式告訴我們一切具有質(zhì)量的物體，其運動(dòng)速度都不會(huì )達到或超越光速。人類(lèi)所達到過(guò)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(guò)物理學(xué)諾貝爾獎得主David Gross解釋說(shuō)這些粒子永遠無(wú)法達到宇宙速度的極限。

要實(shí)現這一點(diǎn)，我們將需要無(wú)限大的能量，在此過(guò)程中，物體的質(zhì)量也會(huì )變?yōu)闊o(wú)限大，這當然是不可能的。光的粒子之所以稱(chēng)為光子，并能夠以光速運動(dòng)，是因為他們不具有質(zhì)量。

愛(ài)因斯坦之后的物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現一些單位可以達到超光速狀態(tài)，同時(shí)仍遵守狹義相對論中的宇宙定律。這些現象并沒(méi)有違背愛(ài)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。

｜光的“音爆”

當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，如果有物體運動(dòng)速度超過(guò)光速時(shí)，可能也會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似的“光爆”。實(shí)際上，這種現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，在核反應堆中會(huì )呈現為藍色輝光。

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年首次詳細記錄了這一現象，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出藍光是因為反應堆的核心被浸沒(méi)在水中冷卻。在水里，光的速度只能達到其在宇宙真空中的75%，但是核反應所產(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，當其在水中或者其他介質(zhì)中(比如玻璃)的運動(dòng)速度超過(guò)光速時(shí)，將產(chǎn)生類(lèi)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(kāi)?；鸺嚯x音障越近，壓力波需要逃開(kāi)火箭路徑的時(shí)間就越少。一旦火箭達到聲速，壓力波積聚并產(chǎn)生音爆巨響。

相似地，當電子在水中的運動(dòng)速度超過(guò)光速，也會(huì )產(chǎn)生一種有時(shí)呈現為藍色輝光的激波，不過(guò)有時(shí)也會(huì )是紫外線(xiàn)的形式。當然，這些粒子在水中超過(guò)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。

｜當相對論不再適用

我們要知道，愛(ài)因斯坦的狹義相對論已經(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)家的認知，我們的宇宙確實(shí)遵守這一法則。不過(guò)那些沒(méi)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。“那只是虛無(wú)的真空，其膨脹速度是可以超越光速的，因為沒(méi)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80年代提出。在兆兆分之一秒內，宇宙不斷重復地復制自身體積，于是，整個(gè)宇宙外部邊緣的擴張速度極其之大，遠超過(guò)光速。

｜量子糾纏

“如果兩個(gè)電子足夠靠近，根據量子理論，它們將同時(shí)振動(dòng)。”Kaku介紹到?，F在，假如我們把這兩個(gè)電子拆開(kāi)，讓它們相聚數百或者數千光年，它們仍會(huì )保持著(zhù)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(ài)因斯坦認為這違背了量子理論，因為任何東西都不能超越光速。”Kaku寫(xiě)道。

實(shí)際上早在1935年，愛(ài)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)驗推翻量子理論。愛(ài)因斯坦稱(chēng)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(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)。

｜蟲(chóng)洞之夢(mèng)

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(jiàn)了。至少，就傳統意義的宇宙飛船和太空飛行來(lái)講是這樣。

盡管愛(ài)因斯坦的狹義相對論讓我們的深空旅行夢(mèng)想破滅，他仍憑借1915年提出的廣義相對論為星際旅行帶來(lái)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(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(guò)廣義相對論的時(shí)空扭曲，”Kaku表示。用通俗的話(huà)說(shuō)，就是蟲(chóng)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)間內完成長(cháng)距離旅行。

1988年，理論物理學(xué)家Kip Thorne曾通過(guò)愛(ài)因斯坦的廣義相對論方程預測了蟲(chóng)洞永遠打開(kāi)供時(shí)空旅行使用的可能性。不過(guò)為了保證蟲(chóng)洞的可通過(guò)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(wèn)兼執行制片。

Thorne在他出版的《The Science of Interstellar》中寫(xiě)道：“多虧了不可思議的量子物理學(xué)定律，現在看來(lái)，那種外來(lái)物質(zhì)是可以存在的。”

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)驗室里制成，只不過(guò)非常微量。當Thorne在1988年提出關(guān)于穩定蟲(chóng)洞的理論時(shí)，他號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(chóng)洞的出現。

“這引發(fā)了眾多物理學(xué)家的不斷鉆研。然而近30年過(guò)去了，時(shí)至今日我們仍沒(méi)有得到答案。”盡管目前的進(jìn)展并不樂(lè )觀(guān)，不過(guò)Thorne斷言，“我們距離終極結論仍有很長(cháng)的路要走。”

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