@ 2022.04.26 , 16:01

有比光速更快的吗?

在1676年,通过研究木卫一的运动,丹麦天文学家Ole Romer计算出光的传播速度是有限的。两年之后,基于Romer收集到的数据,荷兰的数学家、科学家Christiaan Huygens成为了尝试测定实际光速的第一人。

Huygens得出结论,光速为每秒21.1万公里,按照如今的标准,这一数字并不准确。现在我们都知道光在真空中的行进速度为299,792公里/秒,但他的估算结果也展示了光是以极快的速度传播的。

根据爱伊斯坦的狭义相对论,光在真空中的传播速度太快了,以至于宇宙中没有东西能快过它。

“我们在真空空间中移动的速度不可能超过光速,”阿拉巴马大学推进研究中心的航空航天工程学助教Jason Cassibry确认说。

问题有了答案,对吧?可能不是。如果光不是在真空中,这条法则还适用吗?

伦敦皇家学院的理论物理学家Claudia de Rham说:“严格来说,‘没有东西能快过光速’这个说法本身不是完全正确的,”至少在非真空条件下不是。

光呈现出波粒二象性,因此光可以被看作是一种粒子(光子),也可以被看作是一种波。

de Rham说,如果我们把光看做成一种波,那就有“多种原因”去解释为什么光在一种介质中传播时某些波会比白色光的速度更快。她说,其中一个原因是“在光线穿过一种介质——比如说玻璃或者水滴——时,不同频率或者色彩的光线的有着不同的传播速度。”

最显而易见的视觉例子便是彩虹,通常波长更长、速度更快的红波位于彩虹的顶端,而波长较短、速度较慢的紫波位于最底部。

但如果光是在真空中传播的,那结果就完全不同了。

“所有的光线都是一种电磁波,它们在真空中的速度都是相同的。也就是说无线电波和伽马射线的速度也是一样的,”东南路易斯安那大学的物理学教授Rhett Allain说。

因此,按照de Rham所说,唯一能够快过光速的就是光本身,有点悖论的感觉,不过只有在非真空的环境下才能实现。需要指出的是,无论是在哪种介质中,光的传播速度永远不会超过29.98万公里/秒的最大速度。

但根据Cassibry,当讨论物体移速超过光速时还需要考虑别的东西。

他说:“宇宙的一些部分的扩张速度快过光速,因为扩张的是时空。”比如说,哈勃望远镜最近发现了与我们相距129亿光年的恒星Earendel。但由于宇宙的每个点都在扩张,Earendel在形成之后就在不停地离地球远去,因此它所在的星系如今已经和我们相隔280亿光年了。

这种情况下,时空在扩张,但是其中物质的移动速度仍是在光速的界限之内的。

所以,很明显没有东西能快过我们所知道的光速,但是否有可能存在特殊情况呢?爱伊斯坦的狭义相对论,还有后续的广义相对论,“都是建立在空间与时间的概念是相对的原则之上,”de Rham说。这就意味着,“如果某人能携带信息超光速旅行,他们的时间概念相较于我们的就会发生扭曲,”de Rham说,“会出现未来影响过去的情况,然后整个现实结构就不再具有意义了。”

这就表明,让一个人以超光速的速度旅行可能没那么诱人。但这可能实现吗?我们有可能制作出一款可以在太空中以超越光速的速度推进物质,最终实现运送人类的飞船吗?Cassibry说:“理论学家提出了各种各样的曲率泡,利用它们可以实现超光速旅行。”

那de Rham同意吗?

“我们能想象到,与太阳系外的星系以光速沟通,”de Rham说,“但把有胳膊有腿的人以光速传输出去是不可能的,因为我们无法把自己加速到那么快。

“即便是在一个非常理想的情况下,我们能以一个恒速来持续加速自己——不考虑任何技术层面的难题——那我们也永远不可能达到光速,”她说,“我们能够接近光速,但永远不会达到光速。”

Cassibry也同意这一观点。“撇开相对论不说,如果以1G的速率加速,要1年的时间才能达到光速。但是你永远无法真正的达到那种速度,因为在你开始接近光速的时候,你的质能就会增加,接近于无限。”

“对于这一界限,为数不多的已知‘作弊码’之一可能是扩张收缩时空,拉近你和目的地之间的距离。在时空的扩张或者收缩的速率上似乎没有任何基本限制,意味着有一天我们或许能够绕过光速的界限。”

Allain也同样认为不可能超过光速,但和Cassibry一样,指出如果人类想要探索遥远的星球,没必要非要达到光速。

“我们能理解的唯一一个超光速旅行的方式要用到太空中的某种虫洞,”Allain说,“这不会让我们超越光速,但能让我们在宇宙里抄近道。”

但Cassibry不确定虫洞是否有成为现实可行选项的那一天。

“基于爱因斯坦场方程的一个特殊解法,虫洞在理论上是可能的,”他说,“基本上来说,假如虫洞是可能的,那它就是两处地点间的一个捷径。我不知道人类是否能造出一个虫洞,也不清楚我们该怎么造。”

https://www.livescience.com/can-anything-travel-faster-speed-of-light


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