看看那么些超光现象,世界上两个比光速越来越

日期:2020-04-24编辑作者:www.w88985.com

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以前,质量和能量在人们眼中一直是两个独立的概念。但在1905年,爱因斯坦永远地改变了物理学家看待这个世界的方式。

1905年,当爱因斯坦在狭义相对论中提出光速不变原理时,他也给光的速度设了一个上限:299,792,458米每秒,这样的速度每秒足以绕地球八圈。

光速是指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度,光速定义值:c=299792458m/s=299792.458km/s,爱因斯坦狭义相对论(Special Theory of Relativity)中,质量与能量长期不变的结合在一起,形成一个简单的基本方程式E=mc2,这个小小的等式预测了,没有任何有质量的东西在移动时,速度可以和光速一样,或者超越光速。

他的狭义相对论永远地把质量与能量捆绑在一起,表达形式是再简单不过的E =mc2。这个公式告诉我们一切具有质量的物体,其运动速度都不会达到或超越光速。人类所达到过最接近光速的情况是在强大的粒子加速器中完成的,比如大型强子对撞机和正负质子对撞机。

但这并不是故事的全部。事实上,这仅仅是开始。

人类最近一次能够达到光速,是在强力的粒子加速器当中,如大型强子对撞机(e Large Hadron Collider)和兆电子伏特加速器(Tevatron)。

这些巨型的机器可以将亚原子粒子加速至光速的99.99%以上,不过物理学诺贝尔奖得主David Gross解释说这些粒子永远无法达到宇宙速度的极限。

在爱因斯坦之前,质量和能量是被区分对待的。直到1905年,爱因斯坦改变了物理学家看待宇宙的方式。

这些庞大的机器促使次原子粒子加速达到99.99%的光速,然而就如诺贝尔物理学奖得主大卫·葛罗斯(David Gross)的阐释,这些粒子永远无法达到宇宙的速限。

要实现这一点,我们将需要无限大的能量,在此过程中,物体的质量也会变为无限大,这当然是不可能的。光的粒子之所以称为光子,并能够以光速运动,是因为他们不具有质量。

爱因斯坦的狭义相对论将质量和能量紧紧地联系在了一起,并写下了一个非常简洁优美的公式:

如果要能达到的话,在过程中需要无限大的能量,因此这个物体的质量也会变得无限大,而这是不可能的。(光的粒子称作光子,而它之所以能以光速移动,乃是因为它没有质量。)

爱因斯坦之后的物理学家已经发现一些单位可以达到超光速状态,同时仍遵守狭义相对论中的宇宙定律。这些现象并没有违背爱因斯坦的理论,而是让我们更深入地理解了光的奇异行为以及奇妙的量子世界。

这个公式预测了没有任何物体可以运行的跟光一样快,更不用说超光速了。

自爱因斯坦以来,物理学家发现有些存在可以达到超光速(意指比光速还快),并且仍遵循狭义相对论中所主张的宇宙常规。虽然这些存在无法反驳爱因斯坦的理论,但却让我们对光及量子界的奇特行为能有洞察了解的机会。

光的“音爆”

科学家只有在粒子加速器内才能实现接近光速,比如在欧洲粒子中心的大型强子对撞机。利用加速器,科学可以把粒子加速至99.99%的光速,但是,这些粒子永远也不可能达到宇宙的速度极限。为什么呢?

比光速快之一:量子

当物体的速度突破声速时,会产生音爆。所以在理论上讲,如果有物体运动速度超过光速时,可能也会产生类似的“光爆”。实际上,这种现象在我们的世界上普遍存在,你用肉眼就可以看到。它叫做切连科夫辐射,在核反应堆中会呈现为蓝色辉光。

如果要把粒子加速到光速,就必须对它施加无穷大的能量,这就意味着质量也会变的无穷大,这很明显是不可能的。或许你会问,光不就以光速在真空中传播吗?那是因为,组成光的光子并没有质量。

物理学家们认为宇宙大爆炸之后即刻发生的状况就是如此,而这个时期称为大爆胀,在1980年代由物理学家阿兰·古斯(Alan Guth)及安德烈·林德(Andrei Linde) 首度提出这样的假设。在百万分之一秒的百万分之一的时间之内,宇宙再三的双倍扩张,因此宇宙的外缘得以快速扩展,而速度甚至比光速还快。

切连科夫辐射以苏联科学家帕维尔·阿列克谢耶维奇·切连科夫命名,他于1934年首次详细记录了这一现象,并因此于1958年荣获诺贝尔物理学奖。

然而物理学家的确找到有一些实体可以超光速,但同时又不违反狭义相对论。

量子纠缠听起来复杂又吓人,但是就最初的纠缠而言,只是次原子粒子彼此互相沟通交流而已。

切连科夫辐射之所以呈现出蓝光是因为反应堆的核心被浸没在水中冷却。在水里,光的速度只能达到其在宇宙真空中的75%,但是核反应所产生的电子在水中的速度要大于光的速度。

介质中超光速的一种辐射

Kaku在Big Think解释道:“根据量子理论来说,如果我有两颗电子靠得很近,它们可以和谐的一起震动。”现在,即使把那两颗电子分开至距离有几百光年甚至几千光年之远,它们之间即时通讯的桥梁依然可以保持畅通。

诸如电子这样的粒子,当其在水中或者其他介质中的运动速度超过光速时,将产生类似于音爆时产生的激波。

我们都知道,当一个物体运动比声音还快的时候,就会产生音爆。那么,理论上,如果有什么东西可以运动的比光速还快,那么理应产生类似的“光爆”现象。

Kaku写道:“如果我轻摇一颗电子,则另一颗电子立刻能‘感应’到这个震动,这样的通讯比光速还快。虽然没有任何东西可以超越光速,但爱因斯坦想到了这点,因而反驳了量子理论。”

举例来讲,在火箭升空时,会在其顶部前方形成压力波,并以声速离开。火箭距离音障越近,压力波需要逃开火箭路径的时间就越少。一旦火箭达到声速,压力波积聚并产生音爆巨响。

事实上,在日常生活中的一些仪器中,你就可以看到光爆的发生。这样的现象被称为切伦科夫辐射,这种辐射在核反应堆中会发出蓝辉光。

事实上,1935年时,爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)及纳森·罗森(Nathan Rosen)试图进行一场有如爱因斯坦提出的“鬼魅般行动的超距作用”之思想实验,并借此反驳量子理论。

相似地,当电子在水中的运动速度超过光速,也会产生一种有时呈现为蓝色辉光的激波,不过有时也会是紫外线的形式。当然,这些粒子在水中超过光速的时候,它们并非突破了宇宙速度的限制,即30万公里每秒。

这种辐射是由苏维埃科学家帕维尔•阿列克谢耶维奇•切伦科夫于1934年发现的,他因该发现被授予1958年的诺贝尔物理学奖。

然而讽刺的是他们的报告为现今称之为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论(Einstein-Podolsky-Rosen paradox;EPR)奠定了基础。此悖论主要在描述量子纠缠的即时通讯,而此对于世界上一些最尖端科技,如量子密码学而言,是不可或缺的重要部分。

当相对论不再适用

切伦科夫辐射之所以会发光是因为核反应堆被置于水下。在水下,光仅以0.75的光速在传播,但是在核反应堆里被制造的电子在水中会以超过光速的速度运行。

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我们要知道,爱因斯坦的狭义相对论已经阐明:具有质量的物体无法超越光速。以目前物理学家的认知,我们的宇宙确实遵守这一法则。不过那些没有质量的东西呢?

带电粒子如果在介质(水或玻璃)中以超光速在传播时,就会产生冲击波,这些冲击波就会发出蓝辉光,但是有时候也可以发出紫外光。

光子,就其本质来说是无法超越光速的,但是光的粒子并不是宇宙中唯一不具有质量的东西。真空空间不具有物质实体,也就是说不具备质量。“那只是虚无的真空,其膨胀速度是可以超越光速的,因为没有什么东西需要打破光障,”理论天体物理学家Michio Kaku说,“真空空间的膨胀一定能够超越光速。”

很明显,虽然这些粒子在介质中的运行速度超过光速,但是并没有打破宇宙的极限速度:299,792,458米每秒。

这正是物理学家们认为的在宇宙大爆炸后立即发生的极速膨胀,该理论首先由物理学家Alan Guth和Andrei Linde于上世纪80年代提出。在兆兆分之一秒内,宇宙不断重复地复制自身体积,于是,整个宇宙外部边缘的扩张速度极其之大,远超过光速。

当规则不再适用

量子纠缠

爱因斯坦的狭义相对论表示,任何带质量的物体都不能超过光速,从目前来看,我们的宇宙的确服从这个规则。但是,如果有些东西并没有质量.....

“如果两个电子足够靠近,根据量子理论,它们将同时振动。”Kaku介绍到。现在,假如我们把这两个电子拆开,让它们相聚数百或者数千光年,它们仍会保持着这种即时通信桥梁。

我们已经知道,光子本身以光速传播,那是因为它并不具有质量。难道宇宙中只有光子没有质量?上个世纪,物理学家根据标准模型认为中微子也没有质量,但是后来发现中微子也包含着少许的质量。几年前,意大利的一个粒子实验中心因为仪器的问题居然探测出中微子以超光速传播。这边并不是想说中微子。

“如果我晃动其中一个电子,那么另一个会立刻感知到这个振动,这比光速还要快。爱因斯坦认为这违背了量子理论,因为任何东西都不能超越光速。”Kaku写道。

宇宙中除了光子是否还有其它没有质量的实体呢?根据定义,在宇宙中空的空间中没有包含任何物质,所以也没有质量。这就意味着不包含任何物质的真空可以膨胀的比光速还快。这样的情形发生在大爆炸后的暴涨时期,暴涨理论是1980年代阿兰•古斯和安德烈•林德提出的一个理论。暴涨是在一个极短的时间内,宇宙以超光速膨胀的一个时期。

实际上早在1935年,爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基还有纳森·罗森曾试图借由一个思想实验推翻量子理论。爱因斯坦称之为“诡异的超距作用”。

鬼魅般的超距作用

讽刺的是,他们在论文中提出了我们今天所谓的“EPR悖论”,它描述了这种量子纠缠的即时通信——这是世界上一些尖端科技中不可或缺的部分,比如量子密码学。

量子纠缠听起来好像很复杂和吓人,但其实只不过是亚原子粒子之间的相互交流。

虫洞之梦

如果两个电子非常靠近,根据量子理论,它们可以很和谐的振动。现在,如果把两个电子分开至光年的距离,它们仍然会保持及时的交流。如果你轻微的摇晃一个电子,另一个电子会“立即”感应到这个电子的振动,这里的立即意味着超光速。

既然带质量的东西都无法超越光速,我们可以和星际旅行说再见了。至少,就传统意义的宇宙飞船和太空飞行来讲是这样。

爱因斯坦认为这是量子力学不完备的一个证据,因为这种瞬时感应违反了速度的极限。为此,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森一起提出了一个思想实验来证明量子力学的错误,该思想实验被成为EPR悖论。他称量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”。现如今,量子纠缠已经成为了研究量子密码的基础。

尽管爱因斯坦的狭义相对论让我们的深空旅行梦想破灭,他仍凭借1915年提出的广义相对论为星际旅行带来了新的希望。狭义相对论把质量和能量捆绑于一处,广义相对论则将时间与空间编织在一起。

星际旅行的利器

“突破光障的唯一可行办法大概就是通过广义相对论的时空扭曲,”Kaku表示。用通俗的话说,就是虫洞。理论上讲,我们可以瞬间跨越巨大的距离,也就是说打破宇宙速度的限制,在极短的时间内完成长距离旅行。

虫洞这个概念主要是通过《星际穿越》这部电影走进大众的视线中。

1988年,理论物理学家Kip Thorne曾通过爱因斯坦的广义相对论方程预测了虫洞永远打开供时空旅行使用的可能性。不过为了保证虫洞的可通过性,必须有来自外界的奇特物质来加以维持。Kip Thorne是一年前火爆全球的影片《星际穿越》的科学顾问兼执行制片。

虽然爱因斯坦在狭义相对论中对星际旅行设下了一个巨大速度障碍,但是他在1915年发表的广义相对论则为星际旅行带来了全新的希望。

Thorne在他出版的《The Science of Interstellar》中写道:“多亏了不可思议的量子物理学定律,现在看来,那种外来物质是可以存在的。”

狭义相对论将质量和能量联姻,而广义相对论则将时间和空间编织在一起。

实际上这种所谓的外来物质已经在我们地球的实验室里制成,只不过非常微量。当Thorne在1988年提出关于稳定虫洞的理论时,他号召物理界帮他一起确定宇宙中是否存在足够的外来物质以支持虫洞的出现。

唯一能够打破光速障碍的可行方法或许是通过广义相对论将时空扭曲,这样的扭曲也就是所谓的“虫洞”。在理论上,通过弯曲时空,可以连接两个相距甚远的地方,从而实现突破宇宙速度极限,在短时间内就可进行星际旅行。

“这引发了众多物理学家的不断钻研。然而近30年过去了,时至今日我们仍没有得到答案。”尽管目前的进展并不乐观,不过Thorne断言,“我们距离终极结论仍有很长的路要走。”

1988年,理论物理学家基普•索恩,也就是星际穿越的科学顾问,利用爱因斯坦的广义相对论方程语言了虫洞对时空旅行的可行性。但是,为了可以实现虫洞旅行,这些虫洞需要一些非常奇异的物质使他们之间能够打开连通通道。基普•索恩在《星际穿越》一书中写道,感谢量子物理定律的诡异,这样的奇异物质是可以存在的。

当索恩在1988年发表稳定虫洞的理论时,他呼吁物理界帮助他一起来确定这样的奇异粒子是否可以在宇宙中存在,以支持虫洞的可行性。

30年来,虫洞的研究吸引了许多的物理学家投身其中,但是,我们仍然不知道答案。现在,事情看起来并不是很妙,我们离最终答案还有很长的一段路要走。

文/Zwicky/原理(ID:principia1687)

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