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超光速但不违反相对论的旅行方式

光的速度C 是一个绝对的物理常数,无论你身处宇宙的何处也无论你移动的有多快,光在真空中的速度都是一个固定的值。这往往给你一种暗示:没有什么物质的运动速度能比光速更快,但事实并不是这么简单。事实证明,有几种方法可以让物质的运动速度超过光速

首先我们需要注意的是,光速不变只是适用于光在真空中传播。当光通过其他材料时,其速度会降低。这通常取决于材料的 折射率n ,折射率通常都大于1,而此时光的速度为光速C/n。比如当光通过水传播时,其速度大约为0.75C。如果折现率小于1(目前并未有材料的折射率小于1),那么光的速度就会超过真空中的速度C。

举个例子,核反应堆里面的电子由于能量巨大,它们以接近光速C运动。当这些高能电子穿过用于冷却的水时它们的速度高于光在水中传播的速度,这种超速现象称之为 切连科夫辐射 ,当发生这种现象时,呈现出一种蓝色的光辉。

现实生活中的例子是,当飞机以超音速飞信时会引起音爆。还有就是在灯下晃动你的手,你会发现影子的速度比手的速度要快。影子与手晃动的速度之比等于它们到灯的距离之比。如果你朝月球晃动手电筒,你很容易就能让落在月球上的光斑的移动速度超过光速。影子和与手晃动的速度之比确实等于它们到灯的距离之比,但影子的最快速度不会超过光速.光斑也是如此。假设有一个仰角为60度的斜坡,一个物体以0.6C的速度水平运动,那么理论上在斜坡上的投影的速度是1.2C,实际上影子最大速度为C.现象表现为影子不会出现在该物体垂直投射的方位,而是会滞后.。

切连科夫辐射

另外一个现象是光通过声波作为介质超光速。太阳通过核心的核聚变产生光。以光的速度,本应该在2到3秒就从太阳内部到达太阳表明。但太阳内部被密集的带电粒子挤压,光不能简单地以直线传播。一般来说,光子在一厘米的传播距离内的方向都是随机的。想象一下,一个光子试图离开太阳内部,但在每一厘米的距离都在随机方向运动。这种随机方向的传播,导致光子实际上需要大约20000到150000年才能传播到太阳表面。

光子在太阳内随机方向传播

但如果光以声波作为介质来传播,那么情况就不一样了。声波通过材料转移能量,而不传输材料本身的压力波。其结果是,光以声波传输导致它们不受到核心中高能量粒子的挤压和束缚。声波可以在太阳内部以每秒数千米的速度传播,此时光子从太阳内部到表面只需要几分钟的时间,它们的运动速度已经超过了太阳内部其他光子的速度。它们传播所造成一个整体振动,这种声波振动的研究被称为 日震或星震 。通过分析这些声音,我们能确定太阳内部的密度和压力。

星震

上面这些例子虽然真实存在,但是还是没有任何一种能超越光在真空中的速度。有没有真正的超光速运动事实?当然如果真的有这种超光速的方式,这也要归功于广义相对论。

自1920年以来,我们已经知道,更遥远的星系更快远离我们而去,这种现象 称之为红移 。红移与距离之间的关系被称为哈勃定律。随着时间的推移,我们已经认识到,宇宙空间本身正在不断膨胀。

宇宙膨胀

宇宙膨胀的速率是由 哈勃常数 确定。目前的哈勃常数测量为20公里/秒每百万光年。这意味着两个相距一百万光年的点每秒正在远离对方20公里。如果2个点相距更大的距离,那么它们远离对方的速度越快。由于这个原因,如果考虑两个点足够远,他们远离的速度将超过光速。由于光的速度大约为30万公里/秒,以我们现在的哈勃常数来计算,这个超光速的2个间隔距离约为150亿光年。如果一个星系离我们超过160亿光年,那么他远离我们的速度就超过了光速。

宇宙膨胀

量子理论中有一个 EPR悖论 ,由E: 爱因斯坦 、P:波多尔斯基和R:罗森1935年为论证量子力学的不完备性而提出的一个悖论,这一悖论涉及到如何理解微观物理实在的问题。认为在测量两个分离的处于entangled state的粒子时有明显的超距作用。Ebhard证明了不可能利用这种效应传递任何信息,因此超光速通信不存在。但是关于EPR悖论仍有争议。

打个通俗的比方是:我和你有一位朋友给我们都寄了一个盒子,盒子里面装的是一双手套中的其中一只。你知道盒子中是手套,但你并不知道你的盒子中是左手的手套还是右手的手套,除非等到你拆开你的盒子才知道。

1965年,贝尔研究了对两粒子同时测量的各种结果之间可能存在的各种相关性,他用数学不等式的形式表达了寻找到的这类测量结果相关程度的理论限制。贝尔认为,可以想象存在着一个参照系,其中的事物速度比光快。实际上,在EPR实验中包含着,景象的背后有某种东西比光的行进更快。要理解这段话,莫过于把EPR效应称为缠结效应。那么是否可以利用缠结效应使信息的传输速度大于光速呢?由于量子法则的限制,对光子的每次局域测量在孤立地考虑时,产生的结果是完全随机的,因此不能携带来自远处的信息,研究人员从中得知的仅仅是根据远处测量的物体了解那里测量结果的概率是多少。

时空弯曲

另外一个例子是所谓的 虫洞超光速 。关于超光速旅行的一个著名建议是利用虫洞。虫洞是 弯曲时空 中连接两个地点的捷径,从A地穿过虫洞到达B地所需要的时间比光线从A地沿正常路径传播到B地所需要的时间还要短。虫洞是经典广义相对论的推论,但创造一个虫洞需要改变时空的拓扑结构。这在量子引力论中是可能的。开一个虫洞需要负能量区域,科学家建议在大尺度上利用 卡西米尔效应 产生负能量区域。Visser建议使用宇宙弦。这些建议都近乎不切实际的瞎想。 具有负能量的怪异物质可能根本就无法以他们所要求的形式存在。

虫洞旅行

所以除非我们掌握了时空弯曲,并通过虫洞传递。我们仍然需要几年、几百年或者上千年才能达到遥远的星系。

编译自: medium

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