你可能跑不過自己的影子,因為黑暗比光速還快?

光在真空中以299792458m/s的速度行進,根據狹義相對論,宇宙中所有物質運動及信息傳播的速度都無法超過它。然而有一個問題你想沒想過:黑暗是否也有速度?

實際上科幻界一直在關注這個話題,有一部同名科幻作品《黑暗的速度》,曾榮獲2004年星雲獎最佳長篇小說獎。

我們先看黑暗的起源:光源被非透明的物體遮擋後,在其背後會投射出一段黑暗區域。其中,光源被徹底切斷的區域叫做「本影」,身處其中時將感受到真正的黑暗。例如,地球遮擋了太陽的光源,其本影範圍長達140萬公里,在這個區域內,暗無天日。

而包裹在「本影」周圍的,則是略顯淡薄的「半影」,多個「半影」重疊之際,往往會使原來本不可見的「半影」發生視覺上的質變,形成「陰影吸塑」:當生活中兩個背光物體彼此靠近卻並未接觸時,其陰影會率先交好、融合的原因,彷彿「黑暗之吻」。

那麼,如何計算黑暗的速度呢?以我們熟悉的手影為例,手掌遮住光源後,其形狀以陰影的形式,被投射到牆壁上,映下的黑暗偏離本體、無比巨大。

假設我們的手掌平行於牆壁運動的速度為v,光源到牆壁的距離為D,光源到手掌的距離為d,那麼,陰影的速度將是D/d*v。而當手掌與牆壁形成一定角度時,黑暗的速度將變得更快。

根據這個公式,如果用強光照射,將手掌的陰影投射到月球上,因為距離相當長,即使你隨便移動一下手指,陰影就能隨之跨越整個月球:由此看來,黑暗的速度確實可以比光快?

但實際上,陰影並沒有完成真正意義上的運動。之所以會產生陰影速度超越光速的幻覺,是因為我們錯將陰影想像成了一種具有物理實體的存在,而它們,其實只是一塊三維區域的橫截面。

所以正確的說法是:黑暗並不是以陰影的形式從A點瞬間移動到了B點,而是以光速從你的手掌移動到了A點,又以光速從你的手掌移動到了B點。說白了,每一道陰影,都只是一道缺少光的間隙。

美國天體物理學家Neil deGrasse Tyson曾闡述,從嚴格意義上來說,黑暗就是沒有光子,所以根本沒有速度。

但是,讓我們看看物理中著名的「超光速剪刀」:假設黑暗位於剪刀雙刃的交叉點,已合上的部分都是黑暗,未合上的部分都是光明,那麼,合上剪刀的一瞬間,黑暗就相當於移動了一整個刀刃長度的距離。仔細觀察會發現,刀刃向內側運動的速度B,遠不及雙刃交叉點向外運動的速度A。

按照這個思路,如果將同樣一把剪刀的刀刃加長至1光年,那麼在合上剪刀的1秒內,黑暗就可以行走完1光年的距離,是光速的365*24*60*60倍,直接完爆。

這堪比槓桿原理:給他一根足夠長的棍子,就能翹起地球。不過現實中根本無法造出這麼長的剪刀,就算真的造出來了,估計連超人都沒法用力將它合上。

更關鍵之處在於,從物理學上講,剪刀是一種「剛性物體」,即便對其施加外力,它們也不會立刻做出響應。因為在這一過程中,構成剪刀的原子受外力作用,不斷向相鄰的原子傳播電磁力,告知它們即將迎來閉合狀態。而這種傳播速度,永遠無法超越光速。

不過,如果該模型被理想化,雙個刀刃都分離剪刀,在無摩擦的情況下自己動的話,那麼就可以避開「剛性物質」的限制,產生理想的效果,讓交叉點的黑暗真正快過光速。

巧的很,光就是一種電磁波,而光波之間彼此相遇的過程,與這個剪刀例子中刀刃的合併過程異曲同工。

光波作為一種橫波,當其他條件穩定時,其波峰與波峰碰撞則會產生更大的波峰,使光更亮;波谷遇上波谷則會產生更大的波谷,使光更暗;而當波峰遭遇波谷時則會互相抵消,瞬間形成黑暗。

左右兩側各為一束光波,白色的彎曲條狀為波峰,中間夾雜的黑色區域則是波谷。當兩束光波以光速相撞時,黑白相交的區域則是黑暗,眼睛不花的話可以看到這部分衍生出的黑暗,以上下為方向快速運動。

如果將其中一束光波的波峰替換為黑色,另一束光波的波峰替換為紅色,之前的白色背景置換為全黑,此時再重複上面的操作,就會發現,黑暗移動的速度,遠遠超越了光波移動的速度,光速。

這裡確實比較難以理解,狂丸特意附上一張靜態對比圖:

總之,通過對光波的研究,黑暗的速度終於得到了證實,這麼一來,人類豈不是可以利用黑暗突破光速,回到過去,實現時空旅行?

但是駕馭黑暗,聽起來就有些怪怪的。光速最重要的定義就在於:任何攜帶信息或能量的物質都無法超越它,那麼,黑暗是否攜帶了信息或能量?目前為止,黑暗還無法做到這點,即使達到超光速,卻難以利用。

恰如動畫片和諸多影視作品中表現的那樣,反派雖然疾風閃電酷到爆炸,但還是打不過自帶光環的正義主角;黑暗即使在某種角度上超越了光,但仍免不了領盒飯的命運。

歡迎關注我的原創微信公眾號「狂丸」,看更多精彩科技文章


推薦閱讀:

《太空漫遊:2001》的設想為什麼沒能在2001年實現?
霍金是一個怎樣的人?
簡諧振子(級數)
概率流密度
物理學是怎麼開端的?

TAG:物理學 | 科普 | 光速 |