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1、为什么没有东西能够超过光速？超光速旅行依然遥不可及我们运动的速度不可能和光速一样快。新视野号于2015年飞抵冥王星。新浪科技讯 北京时间5月11日消息，2011年9月，物理学家安东尼奥?伊雷迪塔托(Antonio Ereditato)震惊了世界。他宣布的消息将彻底改变我们对宇宙的理解方式。如果参与OPERA项目的160名科学家收集的数据正确的话，说明我们已经成功观测到了不可能发生的事情。这件事就是：粒子(这里指的是中子)的运动速度超过了光速。根据爱因斯坦的相对论，这应该是不可能发生的。假如这件事成真，它的影响也十分巨大，许多物理学知识都必须予以重新考虑。虽然伊雷迪塔托和他的团队称，他们对自己的
2、研究结果抱有“高度自信”，但他们从未说过自己的结果是完全精确的。事实上，他们还邀请了其他科学家来帮助他们弄清究竟发生了什么事情。最后他们发现，OPERA项目的结果是错误的。由于一处电缆接触不良，从GPS卫星传来的信号出现了延迟。结果中子的运动时间缩短了73秒，看上去就好像比光速还快一样。虽然科学家们在实验之前进行了好几个月的细致检查，在实验之后也进行了反复核查，但这一次，科学家们还是犯了错误。虽然很多人指出，在粒子加速器这么复杂的机器中，这样的错误总会发生，但伊雷迪塔托还是引咎辞职了。为什么人们都将“某种东西比光速还快”这件事看得这么严重呢？我们真就那么确定没有东西能超过光速吗？让我们先来看看
3、第二个问题。真空中的光速是每秒299792.458公里，约等于每秒30万公里，速度非常之快。太阳距地球约1.5亿公里，光只需要8分20秒就能跑过这段距离。我们造出来的东西能与光速相提并论吗？新视野号空间探测器是人类造出的速度最快的东西之一，相对地球的运行速度只有每秒钟16公里，比每秒钟30万公里差了一大截。但粒子的速度可以比这快得多。上世纪60年代初，麻省理工学院的威廉?贝托齐(William Bertozzi)开展了一项实验，不断给电子加速，使电子的速度越来越快。由于电子带负电荷，只要使一块材料带上同样的负电荷，就能把电子向前推出去。施加的能量越高，电子的速度也就越快。光纤可以传输信息。时间
4、可以放慢或加速。你可能会以为，要想达到每秒钟30万公里的速度，只要增加所施加的能量就可以了。但我们发现，电子是不可能达到那么高的运行速度的。贝托齐的实验显示，增加能量之后，电子的运行速度并不会简单地成比例增加。到了后来，就算施加了大量能量，电子的速度也只能加快一点点。这一速度会不断接近光速，但永远无法真正追上光速。想象一下，你正在朝一扇门走过去，每次走的长度都是你现在和门之间距离的一半。严格来说，你永远也走不到门跟前，因为每走一步之后，你和门之间仍然存在一定距离。贝托齐的电子加速实验遇到的也是类似的问题。但光也是由一种叫做光子的粒子构成的。为什么这些粒子就能达到光速，电子之类的粒子就不行呢？“
5、物体的运动速度越快，它就会变得越重；而物体变得越重，要想加速也就越难，因此你永远不可能达到光速。”墨尔本大学的一名物理学家罗杰?拉索尔(Roger Rassool)说道，“光子实际上是没有质量的。如果它有质量，也就不可能以光速运行了。”光子是一种非常特殊的粒子。不仅因为它们没有质量，让它们在宇宙这样的真空中可以无拘无束地自由穿梭，还因为它们根本不需要加速。光的能量借助波的形式传播，这意味着从光子诞生的那一刻起，它就已经达到了最高速度。不过，光有时似乎传播得比我们认为的要慢一些。虽然互联网技术人员喜欢说信息“以光速”在光纤中传播，但光在光纤的玻璃中传播的速度其实比在真空中慢40%。事实上，这些光
6、子的运行速度仍然是每秒钟30万公里，但在光波穿过玻璃时，会从玻璃原子中释放出其它的光子，对之前的光子造成一定干扰。这一点可能很难理解，但值得我们去注意一下。与之类似，科学家在实验中通过改变光子的形状，成功减慢了单个光子的速度。不过，在绝大多数情况下，我们还是可以说光速就是每秒30万公里。我们还未观察到过、或者造出过能与光速媲美、甚至超过光速的东西。下文中提到了一些特殊的案例，但在此之前，让我们先来解决另一个问题：为什么光速这么重要呢？答案与一位叫做阿尔伯特?爱因斯坦的男人有关。他的狭义相对论对这一速度上限引发的许多后果进行了探讨。该理论最重要的观点之一是，光速是一个常量。无论你身在何处，无论你
7、速度多快，光传播的速度始终保持不变。但这也带来了一些概念上的问题。光从太阳来到到地球上。想象一下这样的场景：手电筒的光柱投射到一艘静止的宇宙飞船的天花板上。光线先是朝上，被镜子反射回来，然后投射到地板上。假设光线经过的距离为10米。然后再想象一下，宇宙飞船开始以超高速运行，速度为每秒数千、甚至数万公里。你打开手电筒之后，光线的运动方式看上去和之前一样：先是往上走，然后被镜子反射回来，投射到地板上。但由于镜子此时正和宇宙飞船一起高速运行，要实现这样的效果，光线的运动轨迹必须倾斜于地面，而不是垂直于地面。因此光线经过的距离比之前增加了。假设这段距离增加了5米，光线经过的总距离就变成了15米，而不是
8、之前的10米。不过，虽然这段距离增加了，根据爱因斯坦的理论，光速仍然是不变的。速度等于距离除以时间，既然速度不变，距离增加，时间应该也增加了才对。不错，时间本身也被拉长了。这听上去很异想天开，但实验已经证实了这一点。这种现象名叫时间膨胀效应。这意味着对于在高速运行的汽车中的人来说，时间过得比静止时要慢一些。例如，国际空间站相对地球的运动速度是每秒7.66公里，对于宇航员来说，时间比地球上慢了0.007秒。而套用到粒子身上，事情就更有趣了。比如上文提到的电子，它们可以以接近光速的速度运行。对于这些粒子来说，时间膨胀效应就更明显了。其它星系正在离我们而去。牛津大学的一名实验物理学家史蒂文?科尔斯海
9、默(Steven Kolthammer)用渺子举例说明了这一点。渺子十分不稳定，很快就会分裂成其它更简单的粒子。按照它们的衰变速度，大部分渺子在离开太阳之后，等到抵达地球时，就应该已经衰变了才对。但事实上，仍有大批渺子能成功抵达地球。长时间以来，科学家一直对这一点感到大惑不解。“原因是渺子在诞生时的能量极其巨大，因此渺子能够以接近光速的速度运行，”科尔斯海默说道，“所以对于它们而言，时间其实放慢了不少。”渺子之所以能“存活”得比我们以为的更久，靠的就是实际存在的、天然的时间弯曲效应。当物体相对于其它物体的运动速度更快时，它们的长度也会收缩。时间膨胀效应和尺缩效应都是时空根据物体的运动状态发生改
10、变的例子。比如你，比如我，比如宇宙飞船，物体只要有质量，就会出现这些现象。但爱因斯坦指出，最关键的是，光不会受到这些效应的影响，因为光没有质量。正是因为这一点，这些定律之间的统一才那么重要。如果有什么东西的运动速度超过了光速，它们就会与宇宙运作的基本法则相违背。但也有一些例外的现象。首先，虽然我们还没观察到有什么东西能超过光速，但这并不意味着，在非常特殊的情况下，理论上是无法打破光速的限制的。宇宙膨胀就是一个例子。宇宙中有一些星系，它们从彼此身边逃离的速度就超过了光速。另一个有趣的例子则与粒子有关。这些粒子无论相隔多远，似乎都能同时表达出相同的特性。这一现象叫做“量子纠缠”。从本质上来说，光子
11、可以在两种状态间随机转换，但如果两个光子之间存在量子纠缠的话，其中一个光子的状态将恰好与另一处的光子完全相同。因此，如果两名科学家各负责观察一个光子，他们就能同时得到相同的结果，而这一速度是超过了光速的。如果虫洞存在的话，我们可以对其加以利用。不过，在上述两个例子中，我们必须注意到，信息在两个实体之间传播的速度是无法超过光速的。我们可以计算宇宙的膨胀速度，但我们无法在其中观察到任何超过光速运行的物体，就好像它们从我们的视线中消失了一样。至于那两名研究光子的科学家，虽然他们能同时得到相同的结果，但他们向对方确认这一事实的速度也不可能超过光速。“这让我们避免了各种棘手的问题，因为如果你发射信号的速
12、度超过光速的话，就可能引发一些诡异的悖论，让信息在时间上出现了倒退。”科尔斯海默说道。不过，从技术层面来讲，还有另一种方法能实现超光速运动：利用时空中本身存在的缝隙，从而避免受到普通运动法则的牵制。德州贝勒大学的杰拉德?克利佛(Gerald Cleaver)对制造超光速宇宙飞船的可行性进行了研究。一种方法是穿越虫洞。时空中存在一些环状回路，这与爱因斯坦的理论是完全一致的。宇航员可以利用这些捷径，从宇宙中的某一处地方直接跳到另一处去。物体在虫洞中运行的速度不会超过光速，但从理论上来说，它到达目的地的时间的确比光走正常路线所需的时间要短。但我们也许无法利用虫洞进行空间旅行。那么，我们能否以某种可控
13、的方式主动使时空发生弯曲，从而使相对的运动速度超过光速呢？克利佛对一种名为“曲速引擎”(Alcubierre drive，又名阿库别瑞引擎)的概念进行了研究，这一概念是理论物理学家米格尔?阿库别瑞于1994年提出的。从根本上来说，它描述的是这样一种情境：宇宙飞船前方的时空会收缩，将宇宙飞船向前拉去，而与此同时，飞船后方的时空则会膨胀，产生推动效应。“但问题是，我们怎样才能实现这一点呢？实现它又需要多大的能量呢？”克利佛说道。可见光只是电磁光谱的一部分。2008年，克利佛和他手下的研究生理查德?奥伯塞(Richard Obousy)对所需的能量进行了计算。“我们发现，假设飞船大小为10米*10米
14、*10米、即总体积为1000立方米的话，光是启动这一过程所需的能量数量级就与木星的质量相当。”而在启动之后，我们还需要不断供应能量，保证这一过程不会中断。没人知道我们要怎样才能做到这一点，也没人知道这需要什么样的技术。“我可不想预言说这永远不可能成真，结果被后人诟病数百年，”克利佛说道，“但就目前而言，我真不知道怎样才能做到这一点。”因此就现在来说，超光速旅行依然如神话般遥不可及。不过先别失望。在本文中，我们考虑的主要是可见光。但事实上，真正的光比这要宽泛得多。从无线电波到微波，再到可见光、紫外线、X射线和原子衰变时释放的伽马射线，这些神奇的射线都是由同一种物质组成的光子。它们之间的区别在于能
15、量和波长的不同。这些射线加起来，就构成了完整的电磁光谱。无线电波能以光速传播，这对于通讯的用处非常巨大。科尔斯海默在他的研究中搭建了一个电路系统，用光子从电路的一部分向另一部分发射信号。因此他在光速的用途上很有发言权。“现在的互联网和以前的无线电都是这样的例子，光速为我们提供了巨大的便利。”他指出。科尔斯海默还补充说，光在宇宙中还起到了沟通的作用。当一部手机中的电子振动时，便会释放出光子，让另一部手机中的电子也开始振动。你打电话的时候，就会经历这样的过程。太阳中的电子振动时也会释放出光子，正是它们产生的光线孕育了地球万物。光就像宇宙中的广播节目。光速为每秒钟299792.458公里，这一速度始终保持不变。并且，时空还具有延展性，无论人们身在何方，无论他们正处于怎样的运动状态，每个人都遵循着相同的物理法则。不过，谁会愿意运动得比光速还快呢？那场景一定太美，让人不容错过。(叶子)标签:光速超光速旅行
