真的是速度極限? 看看這些超光速現象: 大爆炸, 量子糾纏和蟲洞。。。

海歸學者發起的公益學術平台

分享信息，整合資源

交流學術，偶爾風月

當愛因斯坦提出宇宙中光速不變的時候，他也鎖定了光的速度上限，即30萬公里每秒。這足以在一秒鐘內環繞地球飛行八圈。然而故事並沒有結束，實際上，這僅僅是個開始。。。

以前，質量和能量在人們眼中一直是兩個獨立的概念。但在1905年，愛因斯坦永遠地改變了物理學家看待這個世界的方式。

他的狹義相對論永遠地把質量與能量捆綁在一起，表達形式是再簡單不過的E =mc²。這個公式告訴我們一切具有質量的物體，其運動速度都不會達到或超越光速。人類所達到過最接近光速的情況是在強大的粒子加速器中完成的，比如大型強子對撞機和正負質子對撞機。

這些巨型的機器可以將亞原子粒子加速至光速的99.99%以上，不過物理學諾貝爾獎得主David Gross解釋說這些粒子永遠無法達到宇宙速度的極限。

要實現這一點，我們將需要無限大的能量，在此過程中，物體的質量也會變為無限大，這當然是不可能的。光的粒子之所以稱為光子，並能夠以光速運動，是因為他們不具有質量。

愛因斯坦之後的物理學家已經發現一些單位可以達到超光速狀態，同時仍遵守狹義相對論中的宇宙定律。這些現象並沒有違背愛因斯坦的理論，而是讓我們更深入地理解了光的奇異行為以及奇妙的量子世界。

當物體的速度突破聲速時，會產生音爆。所以在理論上講，如果有物體運動速度超過光速時，可能也會產生類似的「光爆」。實際上，這種現象在我們的世界上普遍存在，你用肉眼就可以看到。它叫做切連科夫輻射，在核反應堆中會呈現為藍色輝光。

切連科夫輻射以蘇聯科學家帕維爾·阿列克謝耶維奇·切連科夫命名，他於1934年首次詳細記錄了這一現象，並因此於1958年榮獲諾貝爾物理學獎。

切連科夫輻射之所以呈現出藍光是因為反應堆的核心被浸沒在水中冷卻。在水裡，光的速度只能達到其在宇宙真空中的75%，但是核反應所產生的電子在水中的速度要大於光的速度。

諸如電子這樣的粒子，當其在水中或者其他介質中(比如玻璃)的運動速度超過光速時，將產生類似於音爆時產生的激波。

舉例來講，在火箭升空時，會在其頂部前方形成壓力波，並以聲速離開。火箭距離音障越近，壓力波需要逃開火箭路徑的時間就越少。一旦火箭達到聲速，壓力波積聚併產生音爆巨響。

相似地，當電子在水中的運動速度超過光速，也會產生一種有時呈現為藍色輝光的激波，不過有時也會是紫外線的形式。當然，這些粒子在水中超過光速的時候，它們並非突破了宇宙速度的限制，即30萬公里每秒。

我們要知道，愛因斯坦的狹義相對論已經闡明：具有質量的物體無法超越光速。以目前物理學家的認知，我們的宇宙確實遵守這一法則。不過那些沒有質量的東西呢？

光子，就其本質來說是無法超越光速的，但是光的粒子並不是宇宙中唯一不具有質量的東西。真空空間不具有物質實體，也就是說不具備質量。「那只是虛無的真空，其膨脹速度是可以超越光速的，因為沒有什麼東西需要打破光障，」理論天體物理學家Michio Kaku說，「真空空間的膨脹一定能夠超越光速。」

這正是物理學家們認為的在宇宙大爆炸後立即發生的極速膨脹，該理論首先由物理學家Alan Guth和Andrei Linde於上世紀80年代提出。在兆兆分之一秒內，宇宙不斷重複地複製自身體積，於是，整個宇宙外部邊緣的擴張速度極其之大，遠超過光速。

「如果兩個電子足夠靠近，根據量子理論，它們將同時振動。」Kaku介紹到。現在，假如我們把這兩個電子拆開，讓它們相聚數百或者數千光年，它們仍會保持著這種即時通信橋樑。

「如果我晃動其中一個電子，那麼另一個會立刻感知到這個振動，這比光速還要快。愛因斯坦認為這違背了量子理論，因為任何東西都不能超越光速。」Kaku寫道。

實際上早在1935年，愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基還有納森·羅森曾試圖藉由一個思想實驗推翻量子理論。愛因斯坦稱之為「詭異的超距作用」。

諷刺的是，他們在論文中提出了我們今天所謂的「EPR悖論」，它描述了這種量子糾纏的即時通信——這是世界上一些尖端科技中不可或缺的部分，比如量子密碼學。

既然帶質量的東西都無法超越光速，我們可以和星際旅行說再見了。至少，就傳統意義的宇宙飛船和太空飛行來講是這樣。

儘管愛因斯坦的狹義相對論讓我們的深空旅行夢想破滅，他仍憑藉1915年提出的廣義相對論為星際旅行帶來了新的希望。狹義相對論把質量和能量捆綁於一處，廣義相對論則將時間與空間編織在一起。

「突破光障的唯一可行辦法大概就是通過廣義相對論的時空扭曲，」Kaku表示。用通俗的話說，就是蟲洞。理論上講，我們可以瞬間跨越巨大的距離，也就是說打破宇宙速度的限制，在極短的時間內完成長距離旅行。

1988年，理論物理學家Kip Thorne曾通過愛因斯坦的廣義相對論方程預測了蟲洞永遠打開供時空旅行使用的可能性。不過為了保證蟲洞的可通過性，必須有來自外界的奇特物質來加以維持。Kip Thorne是一年前火爆全球的影片《星際穿越》的科學顧問兼執行製片。

Thorne在他出版的《The Science of Interstellar》中寫道：「多虧了不可思議的量子物理學定律，現在看來，那種外來物質是可以存在的。」

實際上這種所謂的外來物質已經在我們地球的實驗室里製成，只不過非常微量。當Thorne在1988年提出關於穩定蟲洞的理論時，他號召物理界幫他一起確定宇宙中是否存在足夠的外來物質以支持蟲洞的出現。

「這引發了眾多物理學家的不斷鑽研。然而近30年過去了，時至今日我們仍沒有得到答案。」儘管目前的進展並不樂觀，不過Thorne斷言，「我們距離終極結論仍有很長的路要走。」