為什么不能超過(guò)光速
為什么不能超過(guò)光速
光速是目前已知的最大速度，物體達(dá)到光速時(shí)動(dòng)能無(wú)窮大，所以按目前人類(lèi)的認(rèn)知來(lái)說(shuō)達(dá)到光速不可能，為什么不能超過(guò)光速呢？接下來(lái)就跟著學(xué)習(xí)啦小編一起去看看吧。
光速
光速，即光波傳播的速度。真空中的光速是一個(gè)重要的物理常數(shù)，符號(hào)為c(來(lái)自拉丁語(yǔ)中的 celeritas，意為迅捷)，c不僅僅是可見(jiàn)光的傳播速度，也是所有電磁波在真空中的傳播速度。光速是目前已知的最大速度，物體達(dá)到光速時(shí)動(dòng)能無(wú)窮大，所以按目前人類(lèi)的認(rèn)知來(lái)說(shuō)達(dá)到光速不可能，只有靜止質(zhì)量為零的光子，才始終以光速運(yùn)動(dòng)著。光速與任何速度疊加，得到的仍然是光速。速度的合成不遵從經(jīng)典力學(xué)的法則，而遵從相對(duì)論的速度合成法則，所以光速、超光速的問(wèn)題不在物理學(xué)討論范圍之內(nèi)。
為什么光速不可超越
2011年9月，物理學(xué)家安東尼奧•伊雷迪塔托(Antonio Ereditato)震驚了世界。他宣布的消息將徹底改變我們對(duì)宇宙的理解方式。如果參與OPERA項(xiàng)目的160名科學(xué)家收集的數(shù)據(jù)正確的話，說(shuō)明我們已經(jīng)成功觀測(cè)到了不可能發(fā)生的事情。
這件事就是：粒子(這里指的是中子)的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)了光速。
根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，這應(yīng)該是不可能發(fā)生的。假如這件事成真，它的影響也十分巨大，許多物理學(xué)知識(shí)都必須予以重新考慮。
雖然伊雷迪塔托和他的團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，他們對(duì)自己的研究結(jié)果抱有“高度自信”，但他們從未說(shuō)過(guò)自己的結(jié)果是完全精確的。事實(shí)上，他們還邀請(qǐng)了其他科學(xué)家來(lái)幫助他們弄清究竟發(fā)生了什么事情。
最后他們發(fā)現(xiàn)，OPERA項(xiàng)目的結(jié)果是錯(cuò)誤的。由于一處電纜接觸不良，從GPS衛(wèi)星傳來(lái)的信號(hào)出現(xiàn)了延遲。結(jié)果中子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短了73秒，看上去就好像比光速還快一樣。
雖然科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)之前進(jìn)行了好幾個(gè)月的細(xì)致檢查，在實(shí)驗(yàn)之后也進(jìn)行了反復(fù)核查，但這一次，科學(xué)家們還是犯了錯(cuò)誤。雖然很多人指出，在粒子加速器這么復(fù)雜的機(jī)器中，這樣的錯(cuò)誤總會(huì)發(fā)生，但伊雷迪塔托還是引咎辭職了。
為什么人們都將“某種東西比光速還快”這件事看得這么嚴(yán)重呢?我們真就那么確定沒(méi)有東西能超過(guò)光速嗎?
讓我們先來(lái)看看第二個(gè)問(wèn)題。真空中的光速是每秒299792.458公里，約等于每秒30萬(wàn)公里，速度非常之快。太陽(yáng)距地球約1.5億公里，光只需要8分20秒就能跑過(guò)這段距離。
我們?cè)斐鰜?lái)的東西能與光速相提并論嗎?新視野號(hào)空間探測(cè)器是人類(lèi)造出的速度最快的東西之一，相對(duì)地球的運(yùn)行速度只有每秒鐘16公里，比每秒鐘30萬(wàn)公里差了一大截。
但粒子的速度可以比這快得多。上世紀(jì)60年代初，麻省理工學(xué)院的威廉•貝托齊(William Bertozzi)開(kāi)展了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，不斷給電子加速，使電子的速度越來(lái)越快。由于電子帶負(fù)電荷，只要使一塊材料帶上同樣的負(fù)電荷，就能把電子向前推出去。施加的能量越高，電子的速度也就越快。
你可能會(huì)以為，要想達(dá)到每秒鐘30萬(wàn)公里的速度，只要增加所施加的能量就可以了。但我們發(fā)現(xiàn)，電子是不可能達(dá)到那么高的運(yùn)行速度的。貝托齊的實(shí)驗(yàn)顯示，增加能量之后，電子的運(yùn)行速度并不會(huì)簡(jiǎn)單地成比例增加。到了后來(lái)，就算施加了大量能量，電子的速度也只能加快一點(diǎn)點(diǎn)。這一速度會(huì)不斷接近光速，但永遠(yuǎn)無(wú)法真正追上光速。
想象一下，你正在朝一扇門(mén)走過(guò)去，每次走的長(zhǎng)度都是你現(xiàn)在和門(mén)之間距離的一半。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，你永遠(yuǎn)也走不到門(mén)跟前，因?yàn)槊孔咭徊街?，你和門(mén)之間仍然存在一定距離。貝托齊的電子加速實(shí)驗(yàn)遇到的也是類(lèi)似的問(wèn)題。
但光也是由一種叫做光子的粒子構(gòu)成的。為什么這些粒子就能達(dá)到光速，電子之類(lèi)的粒子就不行呢?
“物體的運(yùn)動(dòng)速度越快，它就會(huì)變得越重;而物體變得越重，要想加速也就越難，因此你永遠(yuǎn)不可能達(dá)到光速。”墨爾本大學(xué)的一名物理學(xué)家羅杰?拉索爾(Roger Rassool)說(shuō)道，“光子實(shí)際上是沒(méi)有質(zhì)量的。如果它有質(zhì)量，也就不可能以光速運(yùn)行了。”
光子是一種非常特殊的粒子。不僅因?yàn)樗鼈儧](méi)有質(zhì)量，讓它們?cè)谟钪孢@樣的真空中可以無(wú)拘無(wú)束地自由穿梭，還因?yàn)樗鼈兏静恍枰铀?。光的能量借助波的形式傳播，這意味著從光子誕生的那一刻起，它就已經(jīng)達(dá)到了最高速度。
不過(guò)，光有時(shí)似乎傳播得比我們認(rèn)為的要慢一些。雖然互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人員喜歡說(shuō)信息“以光速”在光纖中傳播，但光在光纖的玻璃中傳播的速度其實(shí)比在真空中慢40%。
事實(shí)上，這些光子的運(yùn)行速度仍然是每秒鐘30萬(wàn)公里，但在光波穿過(guò)玻璃時(shí)，會(huì)從玻璃原子中釋放出其它的光子，對(duì)之前的光子造成一定干擾。這一點(diǎn)可能很難理解，但值得我們?nèi)プ⒁庖幌?。?/p>
與之類(lèi)似，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變光子的形狀，成功減慢了單個(gè)光子的速度。
不過(guò)，在絕大多數(shù)情況下，我們還是可以說(shuō)光速就是每秒30萬(wàn)公里。我們還未觀察到過(guò)、或者造出過(guò)能與光速媲美、甚至超過(guò)光速的東西。下文中提到了一些特殊的案例，但在此之前，讓我們先來(lái)解決另一個(gè)問(wèn)題：為什么光速這么重要呢?
答案與一位叫做阿爾伯特?愛(ài)因斯坦的男人有關(guān)。他的狹義相對(duì)論對(duì)這一速度上限引發(fā)的許多后果進(jìn)行了探討。
該理論最重要的觀點(diǎn)之一是，光速是一個(gè)常量。無(wú)論你身在何處，無(wú)論你速度多快，光傳播的速度始終保持不變。
但這也帶來(lái)了一些概念上的問(wèn)題。
想象一下這樣的場(chǎng)景：手電筒的光柱投射到一艘靜止的宇宙飛船的天花板上。光線先是朝上，被鏡子反射回來(lái)，然后投射到地板上。假設(shè)光線經(jīng)過(guò)的距離為10米。
然后再想象一下，宇宙飛船開(kāi)始以超高速運(yùn)行，速度為每秒數(shù)千、甚至數(shù)萬(wàn)公里。你打開(kāi)手電筒之后，光線的運(yùn)動(dòng)方式看上去和之前一樣：先是往上走，然后被鏡子反射回來(lái)，投射到地板上。但由于鏡子此時(shí)正和宇宙飛船一起高速運(yùn)行，要實(shí)現(xiàn)這樣的效果，光線的運(yùn)動(dòng)軌跡必須傾斜于地面，而不是垂直于地面。
因此光線經(jīng)過(guò)的距離比之前增加了。假設(shè)這段距離增加了5米，光線經(jīng)過(guò)的總距離就變成了15米，而不是之前的10米。
不過(guò)，雖然這段距離增加了，根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，光速仍然是不變的。速度等于距離除以時(shí)間，既然速度不變，距離增加，時(shí)間應(yīng)該也增加了才對(duì)。
不錯(cuò)，時(shí)間本身也被拉長(zhǎng)了。這聽(tīng)上去很異想天開(kāi)，但實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)。
這種現(xiàn)象名叫時(shí)間膨脹效應(yīng)。這意味著對(duì)于在高速運(yùn)行的汽車(chē)中的人來(lái)說(shuō)，時(shí)間過(guò)得比靜止時(shí)要慢一些。
例如，國(guó)際空間站相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)速度是每秒7.66公里，對(duì)于宇航員來(lái)說(shuō)，時(shí)間比地球上慢了0.007秒。
而套用到粒子身上，事情就更有趣了。比如上文提到的電子，它們可以以接近光速的速度運(yùn)行。對(duì)于這些粒子來(lái)說(shuō)，時(shí)間膨脹效應(yīng)就更明顯了。
牛津大學(xué)的一名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家史蒂文?科爾斯海默(Steven Kolthammer)用渺子舉例說(shuō)明了這一點(diǎn)。渺子十分不穩(wěn)定，很快就會(huì)分裂成其它更簡(jiǎn)單的粒子。按照它們的衰變速度，大部分渺子在離開(kāi)太陽(yáng)之后，等到抵達(dá)地球時(shí)，就應(yīng)該已經(jīng)衰變了才對(duì)。但事實(shí)上，仍有大批渺子能成功抵達(dá)地球。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，科學(xué)家一直對(duì)這一點(diǎn)感到大惑不解。
“原因是渺子在誕生時(shí)的能量極其巨大，因此渺子能夠以接近光速的速度運(yùn)行，”科爾斯海默說(shuō)道，“所以對(duì)于它們而言，時(shí)間其實(shí)放慢了不少。”
渺子之所以能“存活”得比我們以為的更久，靠的就是實(shí)際存在的、天然的時(shí)間彎曲效應(yīng)。
當(dāng)物體相對(duì)于其它物體的運(yùn)動(dòng)速度更快時(shí)，它們的長(zhǎng)度也會(huì)收縮。時(shí)間膨脹效應(yīng)和尺縮效應(yīng)都是時(shí)空根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的例子。比如你，比如我，比如宇宙飛船，物體只要有質(zhì)量，就會(huì)出現(xiàn)這些現(xiàn)象。
但愛(ài)因斯坦指出，最關(guān)鍵的是，光不會(huì)受到這些效應(yīng)的影響，因?yàn)楣鉀](méi)有質(zhì)量。正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，這些定律之間的統(tǒng)一才那么重要。如果有什么東西的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)了光速，它們就會(huì)與宇宙運(yùn)作的基本法則相違背。
但也有一些例外的現(xiàn)象。
首先，雖然我們還沒(méi)觀察到有什么東西能超過(guò)光速，但這并不意味著，在非常特殊的情況下，理論上是無(wú)法打破光速的限制的。
宇宙膨脹就是一個(gè)例子。宇宙中有一些星系，它們從彼此身邊逃離的速度就超過(guò)了光速。
另一個(gè)有趣的例子則與粒子有關(guān)。這些粒子無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，似乎都能同時(shí)表達(dá)出相同的特性。這一現(xiàn)象叫做“量子糾纏”。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，光子可以在兩種狀態(tài)間隨機(jī)轉(zhuǎn)換，但如果兩個(gè)光子之間存在量子糾纏的話，其中一個(gè)光子的狀態(tài)將恰好與另一處的光子完全相同。
因此，如果兩名科學(xué)家各負(fù)責(zé)觀察一個(gè)光子，他們就能同時(shí)得到相同的結(jié)果，而這一速度是超過(guò)了光速的。
不過(guò)，在上述兩個(gè)例子中，我們必須注意到，信息在兩個(gè)實(shí)體之間傳播的速度是無(wú)法超過(guò)光速的。我們可以計(jì)算宇宙的膨脹速度，但我們無(wú)法在其中觀察到任何超過(guò)光速運(yùn)行的物體，就好像它們從我們的視線中消失了一樣。
至于那兩名研究光子的科學(xué)家，雖然他們能同時(shí)得到相同的結(jié)果，但他們向?qū)Ψ酱_認(rèn)這一事實(shí)的速度也不可能超過(guò)光速。
“這讓我們避免了各種棘手的問(wèn)題，因?yàn)槿绻惆l(fā)射信號(hào)的速度超過(guò)光速的話，就可能引發(fā)一些詭異的悖論，讓信息在時(shí)間上出現(xiàn)了倒退。”科爾斯海默說(shuō)道。
不過(guò)，從技術(shù)層面來(lái)講，還有另一種方法能實(shí)現(xiàn)超光速運(yùn)動(dòng)：利用時(shí)空中本身存在的縫隙，從而避免受到普通運(yùn)動(dòng)法則的牽制。
德州貝勒大學(xué)的杰拉德?克利佛(Gerald Cleaver)對(duì)制造超光速宇宙飛船的可行性進(jìn)行了研究。一種方法是穿越蟲(chóng)洞。時(shí)空中存在一些環(huán)狀回路，這與愛(ài)因斯坦的理論是完全一致的。宇航員可以利用這些捷徑，從宇宙中的某一處地方直接跳到另一處去。
物體在蟲(chóng)洞中運(yùn)行的速度不會(huì)超過(guò)光速，但從理論上來(lái)說(shuō)，它到達(dá)目的地的時(shí)間的確比光走正常路線所需的時(shí)間要短。
但我們也許無(wú)法利用蟲(chóng)洞進(jìn)行空間旅行。那么，我們能否以某種可控的方式主動(dòng)使時(shí)空發(fā)生彎曲，從而使相對(duì)的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)光速呢?
克利佛對(duì)一種名為“曲速引擎”(Alcubierre drive，又名阿庫(kù)別瑞引擎)的概念進(jìn)行了研究，這一概念是理論物理學(xué)家米格爾?阿庫(kù)別瑞于1994年提出的。從根本上來(lái)說(shuō)，它描述的是這樣一種情境：宇宙飛船前方的時(shí)空會(huì)收縮，將宇宙飛船向前拉去，而與此同時(shí)，飛船后方的時(shí)空則會(huì)膨脹，產(chǎn)生推動(dòng)效應(yīng)。
“但問(wèn)題是，我們?cè)鯓硬拍軐?shí)現(xiàn)這一點(diǎn)呢?實(shí)現(xiàn)它又需要多大的能量呢?”克利佛說(shuō)道。
2008年，克利佛和他手下的研究生理查德•奧伯塞(Richard Obousy)對(duì)所需的能量進(jìn)行了計(jì)算。
“我們發(fā)現(xiàn)，假設(shè)飛船大小為10米*10米*10米、即總體積為1000立方米的話，光是啟動(dòng)這一過(guò)程所需的能量數(shù)量級(jí)就與木星的質(zhì)量相當(dāng)。”
而在啟動(dòng)之后，我們還需要不斷供應(yīng)能量，保證這一過(guò)程不會(huì)中斷。沒(méi)人知道我們要怎樣才能做到這一點(diǎn)，也沒(méi)人知道這需要什么樣的技術(shù)。
“我可不想預(yù)言說(shuō)這永遠(yuǎn)不可能成真，結(jié)果被后人詬病數(shù)百年，”克利佛說(shuō)道，“但就目前而言，我真不知道怎樣才能做到這一點(diǎn)。”
因此就現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，超光速旅行依然如神話般遙不可及。
不過(guò)先別失望。在本文中，我們考慮的主要是可見(jiàn)光。但事實(shí)上，真正的光比這要寬泛得多。從無(wú)線電波到微波，再到可見(jiàn)光、紫外線、X射線和原子衰變時(shí)釋放的伽馬射線，這些神奇的射線都是由同一種物質(zhì)組成的——光子。
它們之間的區(qū)別在于能量和波長(zhǎng)的不同。這些射線加起來(lái)，就構(gòu)成了完整的電磁光譜。無(wú)線電波能以光速傳播，這對(duì)于通訊的用處非常巨大。
科爾斯海默在他的研究中搭建了一個(gè)電路系統(tǒng)，用光子從電路的一部分向另一部分發(fā)射信號(hào)。因此他在光速的用途上很有發(fā)言權(quán)。
“現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)和以前的無(wú)線電都是這樣的例子，光速為我們提供了巨大的便利。”他指出。
科爾斯海默還補(bǔ)充說(shuō)，光在宇宙中還起到了溝通的作用。當(dāng)一部手機(jī)中的電子振動(dòng)時(shí)，便會(huì)釋放出光子，讓另一部手機(jī)中的電子也開(kāi)始振動(dòng)。你打電話的時(shí)候，就會(huì)經(jīng)歷這樣的過(guò)程。
太陽(yáng)中的電子振動(dòng)時(shí)也會(huì)釋放出光子，正是它們產(chǎn)生的光線孕育了地球萬(wàn)物。
光就像宇宙中的廣播節(jié)目。光速為每秒鐘299792.458公里，這一速度始終保持不變。并且，時(shí)空還具有延展性，無(wú)論人們身在何方，無(wú)論他們正處于怎樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，每個(gè)人都遵循著相同的物理法則。
不過(guò)，誰(shuí)會(huì)愿意運(yùn)動(dòng)得比光速還快呢?那場(chǎng)景一定太美，讓人不容錯(cuò)過(guò)。
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