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超了,但没完全超:这里有一份“超光速”指南

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图片来源:Pixabay

“真空光速不可超越”是现代物理学的基石之一,任何严格意义上超越真空光速的现象,都将意味着现代物理学体系的重构。但是,如果在概念上玩一些小花招,光速也不是不能被超越。在这篇文章中,我们就将看到超光速的N种情形。

撰文|王昱

审校|吴非

2011年,探测中微子振荡的OPERA实验组宣布了一个令人震惊的结论:他们测得中微子速度超越了真空中的光速。这在物理学界马上引起了轩然大波,多数物理学家认为,一定是实验出了问题。最终,在接近一年的细致排查后,OPERA实验组发现这只是一次乌龙——这个实验结果是由于一个光纤接口不牢固而导致的。


当年的罪魁祸首(图片来源:G. Sirri/INFN BOLOGNA)

从一个世纪前爱因斯坦建立狭义、广义相对论时起,真空光速的限制就是现代物理学中从未被打破的天条。在任意参考系中,真空光速都是一个定值,这是相对论的基础假设之一。物体从静止不断加速的过程中,质量会不断增大,加速所需要的能量也会在接近光速时趋近于无穷。因此任何原本亚光速的物体,在理论上都不可能超光速。

不过,之所以说物理是一个很严谨的学科,是因为一旦我们在定义上耍一些滑头,不少物理定律也就不再适用了。对于光速而言,也是如此。在真实世界中,我们的确可以找到一些超光速的例子。

超速的喷流

在宇宙这个极端物理实验室中,天文学家的确找到了超光速的例子——相对论性喷流。


3C 273的喷流速度在我们看来是光速的9.6倍(图片来源:Chandra X-ray Observatory/NASA)

准确来说,在我们的参考系中看来,朝向我们的相对论性喷流中物质的速度是超光速的。1969年,J. GUBBAY等人就在《自然》上发表表示,他们观测到3C 273喷流的速度超越了光速。这一结论在1981年《自然》上的一篇中得到了证实:研究团队通过对比1977年和1980年的照片,发现3C 273喷流的速度在我们看来确实超越了光速,是光速的9.6倍。

想象一队正向营地前行的士兵,大部队派一名传令兵奔向营地的观察者,向观察者报告大部队和营地之间的距离。当大部队前行的速度仅比传令兵慢一点时,就会出现这样的情况——上一秒传令兵刚刚达到营地,报告大部队在10里之外,下一秒,大部队就抵达了营地。在观察者看来,大部队在1秒内跑过了10公里,比传令兵还要快。在极端相对论性喷流中,喷流物质“大部队”和光子“传令兵”的速度十分接近,一同奔向观察者,就会让观察者看来,喷流物质“大部队”超越了光子“传令兵”的极限速度光速。本质上,这种现象就是一种可以由相对论预言的视错觉,相对论性喷流只是看起来超光速,实际上并没有超光速。

遇事不决,量子力学

遇事不决,量子力学,超光速领域同样也有量子力学的一席之地——量子纠缠,量子隧穿都能“超光速”。

高中课本就已经介绍过量子纠缠,爱因斯坦还称它为“幽灵般的超距作用”。粒子之间的某些属性可以发生纠缠,例如在某个方向上,测定一个粒子的自旋为上旋态,则另一个与其纠缠的粒子自旋一定为下旋态。无论两个粒子相距多远,测量都会让它们瞬间塌缩到相应的状态,速度远超光速

量子隧穿是另一种由量子力学推导出的现象。由于波函数的性质,粒子其实是可以“穿墙”的。1962年,得州仪器(Texas Instruments)的一位半导体工程师托马斯·哈特曼(Thomas Hartman)撰写了一篇,表明量子隧穿过程中,其波包的速度是可以超光速的。并且,隧穿过的“墙”越厚,隧穿速度就越大,没有上限。



量子隧穿示意图(图片来源:Wikipedia)

不过当然,量子纠缠无法单独超光速传递信息和能量,量子隧穿整体的速度也都在光速之内。就算是利用到量子纠缠的量子隐形传态,作为一个整体,也不可能超光速传递信息。两个相互纠缠的量子比特,一个突然改变了状态,想要获得其中的信息,还需要用到以传统技术传输过来的信息,这导致它整体的信息传输速度一定是亚光速的。

群速度和相速度

波除了我们熟知的波速之外,还具有群速度和相速度这两种特殊的速度。当两束频率不同的波叠加时,就会让波的振幅产生周期性的变化,这个周期性形状向前移动的速度就是群速度。相位则是波中特定状态的位置,相速度就是特定相位传播的速度,比如震动到最大值的相位,或者震动到位置为0的相位移动的速度就是相速度。只要不传递信息和能量,这两种速度都能超光速。

绿点代表群速度,红点代表相速度(图片来源:Wikipedia)

在大部分情况下,群速度是能量和信息沿着波传播的速度,是不能超光速的。不过,也有特殊情况。2009年,就有科学家在《科学》杂志上发表,表示他们可以自由控制光脉冲在固体色散材料(dispersive material)中的群速度。他们可以将群速度调整到慢于光速,快于光速,甚至可以为负数。在这种情况下波整体的形状变化很快,但信息和能量并不能以群速度传播。

而利用类似相速度的原理就更容易超光速了。晚上拿一根激光笔照向月球,理论上月面上会有一个暗到看不见的光斑。这时只要快速晃动激光笔,月球上的光斑就是超光速的。在这种情况下,可以大致理解为月球上出现光斑的“相位”移动速度是超光速的。虽然光斑的移动速度的确超越了光速,但是光斑之间彼此并不能让任何信息或能量超光速传递,也就没有违反相对论的假设。

甚至,仅靠机械结构就能超光速。如果将两个刀片以一个很小的夹角放置,比如20毫角秒(1度=3600角秒,1角秒=1000毫角秒),保持这个角度,让两个刀片以3米/秒以上的速度合到一起,那么两个刀片的交点就是超光速的。这个过程中两个刀片的交点就是一个“相位”,可以超光速。因为交点只是两个刀片几何关系的一种体现,没有与其对应的质量,不能传递能量和信息。(相速度的定义实际上要更严格一些,这两段只是类比,不是严格意义上的相速度。)



两刀片的交点(红点)在符合上文条件时,是可以超光速的。

物理学的天条

除此之外,介质中的光速也可以被轻松超越。譬如在水中,光速大约就是真空光速的2/3。核反应堆运行时,其中放射性粒子的速度很容易就能超越水中的光速,从而发射出幽蓝色的切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)。利用切伦科夫辐射,科学家还能对中微子、潜在的暗物质粒子进行探测。


美国爱达荷国家实验室ATR核心发出的切伦科夫辐射辉光( 图片来源:Wikipedia)

科幻作品中常见的曲率引擎,虫洞等,也是一类为人熟知的超光速技术手段。这种技术也并非毫无道理,至少它符合广义相对论的推导。但是,同样是由推导得出,想要通过操纵空间实现超光速运动,需要负能量、负质量。而关于负能量、负质量的理论还都是一片空白。显然,在当前的物理水平下,这些科幻技术也只能是美好的幻想了。

总之,不论是什么能超光速的手段,按照严格定义来说,都没能让信息和能量传播的速度大于真空光速。一个世纪以前,爱因斯坦假设的光速不变原理仍然没有被打破的迹象,成了物理学的天条之一。不过,物理学是基于实验的科学,光速的限制并不意味着它不可触碰。反而,如果有实验真真切切证明真空光速的限制可以被突破,那意味着物理学现在的“天”已经过时了,我们定会在那时迎来另一场物理学的狂欢。

来源:环球科学

编辑:Norma

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