深度：為啥沒有任何東西能超越光速？

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，說明我們已經(jīng)成功觀測到了不可能發(fā)生的事情。

這件事就是：粒子(這里指的是中子)的運(yùn)動(dòng)速度超過了光速。

根據(jù)愛因斯坦的相對論，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。

▲我們運(yùn)動(dòng)的速度不可能和光速一樣快。

▲新視野號于2015年飛抵冥王星。

雖然伊雷迪塔托和他的團(tuán)隊(duì)稱，他們對自己的研究結(jié)果抱有“高度自信”，但他們從未說過自己的結(jié)果是完全精確的。事實(shí)上，他們還邀請了其他科學(xué)家來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)星傳來的信號出現(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)家們在實(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有東西能超過光速嗎?

讓我們先來看看第二個(gè)問題。真空中的光速是每秒299792.458公里，約等于每秒30萬公里，速度非常之快。太陽距地球約1.5億公里，光只需要8分20秒就能跑過這段距離。

我們造出來的東西能與光速相提并論嗎?新視野號空間探測器是人類造出的速度最快的東西之一，相對地球的運(yùn)行速度只有每秒鐘16公里，比每秒鐘30萬公里差了一大截。

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)開展了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，不斷給電子加速，使電子的速度越來越快。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。

▲光纖可以傳輸信息。

▲時(shí)間可以放慢或加速。

你可能會(huì)以為，要想達(dá)到每秒鐘30萬公里的速度，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)簡單地成比例增加。到了后來，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)無法真正追上光速。

想象一下，你正在朝一扇門走過去，每次走的長度都是你現(xiàn)在和門之間距離的一半。嚴(yán)格來說，你永遠(yuǎn)也走不到門跟前，因?yàn)槊孔咭徊街螅愫烷T之間仍然存在一定距離。貝托齊的電子加速實(shí)驗(yàn)遇到的也是類似的問題。

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)說道，“光子實(shí)際上是沒有質(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]有質(zhì)量，讓它們在宇宙這樣的真空中可以無拘無束地自由穿梭，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，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30萬公里，但在光波穿過玻璃時(shí)，會(huì)從玻璃原子中釋放出其它的光子，對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庖幌隆！?/p>

與之類似，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中通過改變光子的形狀，成功減慢了單個(gè)光子的速度。

不過，在絕大多數(shù)情況下，我們還是可以說光速就是每秒30萬公里。我們還未觀察到過、或者造出過能與光速媲美、甚至超過光速的東西。下文中提到了一些特殊的案例，但在此之前，讓我們先來解決另一個(gè)問題：為什么光速這么重要呢?

答案與一位叫做阿爾伯特?愛因斯坦的男人有關(guān)。他的狹義相對論對這一速度上限引發(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。無論你身在何處，無論你速度多快，光傳播的速度始終保持不變。

但這也帶來了一些概念上的問題。

▲光從太陽來到到地球上。

想象一下這樣的場景：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，然后投射到地板上。假設(shè)光線經(jīng)過的距離為10米。

然后再想象一下，宇宙飛船開始以超高速運(yùn)行，速度為每秒數(shù)千、甚至數(shù)萬公里。你打開手電筒之后，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，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)過的總距離就變成了15米，而不是之前的10米。

不過，雖然這段距離增加了，根據(jù)愛因斯坦的理論，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。

不錯(cuò)，時(shí)間本身也被拉長了。這聽上去很異想天開，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)。這意味著對于在高速運(yùn)行的汽車中的人來說，時(shí)間過得比靜止時(shí)要慢一些。

例如，國際空間站相對地球的運(yùn)動(dòng)速度是每秒7.66公里，對于宇航員來說，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。對于這些粒子來說，時(shí)間膨脹效應(yīng)就更明顯了。

▲其它星系正在離我們而去。

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)分裂成其它更簡單的粒子。按照它們的衰變速度，大部分渺子在離開太陽之后，等到抵達(dá)地球時(shí)，就應(yīng)該已經(jīng)衰變了才對。但事實(shí)上，仍有大批渺子能成功抵達(dá)地球。長時(shí)間以來，科學(xué)家一直對這一點(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，”科爾斯海默說道，“所以對于它們而言，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)物體相對于其它物體的運(yùn)動(dòng)速度更快時(shí)，它們的長度也會(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]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，雖然我們還沒觀察到有什么東西能超過光速，但這并不意味著，在非常特殊的情況下，理論上是無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了光速。

另一個(gè)有趣的例子則與粒子有關(guān)。這些粒子無論相隔多遠(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)上來說，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，而這一速度是超過了光速的。

如果蟲洞存在的話，我們可以對其加以利用。

不過，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法超過光速的。我們可以計(jì)算宇宙的膨脹速度，但我們無法在其中觀察到任何超過光速運(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光速。

“這讓我們避免了各種棘手的問題，因?yàn)槿绻惆l(fā)射信號的速度超過光速的話，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。”科爾斯海默說道。

不過，從技術(shù)層面來講，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。一種方法是穿越蟲洞。時(shí)空中存在一些環(huán)狀回路，這與愛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。

物體在蟲洞中運(yùn)行的速度不會(huì)超過光速，但從理論上來說，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。

但我們也許無法利用蟲洞進(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，從而使相對的運(yùn)動(dòng)速度超過光速呢?

克利佛對一種名為“曲速引擎”(Alcubierre drive，又名阿庫別瑞引擎)的概念進(jìn)行了研究，這一概念是理論物理學(xué)家米格爾?阿庫別瑞于1994年提出的。從根本上來說，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)。

“但問題是，我們怎樣才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)呢?實(shí)現(xiàn)它又需要多大的能量呢?”克利佛說道。

可見光只是電磁光譜的一部分。

2008年，克利佛和他手下的研究生理查德?奧伯塞(Richard Obousy)對所需的能量進(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)這一過程所需的能量數(shù)量級就與木星的質(zhì)量相當(dāng)。”

而在啟動(dòng)之后，我們還需要不斷供應(yīng)能量，保證這一過程不會(huì)中斷。沒人知道我們要怎樣才能做到這一點(diǎn)，也沒人知道這需要什么樣的技術(shù)。

“我可不想預(yù)言說這永遠(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)在來說，超光速旅行依然如神話般遙不可及。

不過先別失望。在本文中，我們考慮的主要是可見光。但事實(shí)上，真正的光比這要寬泛得多。從無線電波到微波，再到可見光、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)別在于能量和波長的不同。這些射線加起來，就構(gòu)成了完整的電磁光譜。無線電波能以光速傳播，這對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。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，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)中的電子也開始振動(dòng)。你打電話的時(shí)候，就會(huì)經(jīng)歷這樣的過程。

太陽中的電子振動(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，無論人們身在何方，無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，誰會(huì)愿意運(yùn)動(dòng)得比光速還快呢?那場景一定太美，讓人不容錯(cuò)過。