比光速快10億倍的「速子」是如何不與相對論矛盾的?

2021-01-18 騰訊網

星際旅行是人類將面臨的最大挑戰之一。它是探索和理解宇宙的必要步驟。隨著時間的推移,它變得越來越必要,也越來越困難。

隨著宇宙繼續以巨大的速度膨脹,即使是接近光速的速度也可能是不夠的。離我們最近的恆星系統和星系發出的光將努力向我們靠近,它們的存在只能在我們的書籍和電腦程式中看到,這將不得不提醒我們,周圍的天空並不總是看起來那麼空。以光速運動,在兩個星系之間的單向旅行需要數年時間。

愛因斯坦在1905年的論文中寫道:「大於光速是不可能存在的。」「但現代科學和數學已經找到了聰明的方法來繞過這個問題,這些漏洞允許超光速,同時又不與相對論相矛盾。」

這個可視化顯示了速子靠近時的樣子。事實上,我們會看到它的兩幅圖像,每幅圖像都朝著相反的方向。切倫科夫輻射由中間的白線表示。

假設宇宙中有兩種粒子。第一種是我們熟悉的粒子,它們構成了普通物質:質子、電子、中子。它們可以接近光速,但永遠達不到或超過光速(例如,中微子就非常接近)。如果把能量和動量加到這些粒子上,它們就會加速。但是考慮另一類粒子,速子,它們的速度總是比光速快。它們是一種奇異的物質,當能量和動量被加入時,它們會減速而不是加速。在能量為零的情況下,速子以無限快的速度運動。也就是說,當速子失去能量時,它們的速度會更快,而當它們獲得能量時,它們的速度會減慢,最慢的速度是光的速度。一旦它們達到光速,速子就消失了。這是探測它們的挑戰之一。

這些速子不與相對論相矛盾的原因是它們不是以亞光速開始,然後加速到超光速。相反,它們總是以超光速運動。這個概念在數學上沒有不妥的地方。物理學家傑拉德·范伯格在60年代首次向科學界介紹了速子,他預測這些粒子的速度可能比光速快10億倍。它們在整個宇宙中穿梭,不與任何物質作用,卻掌握著理解宇宙的鑰匙。

科學家們在宇宙射線中尋找過速子。當它們到達時,這些閃著火花的「流星雨」正以99%的光速移動,攜帶著大量的能量並與大氣中的分子發生碰撞。菲利普·克勞奇和羅傑·克萊的一項研究發現,可能是這些簇射之前的超光速粒子。

雖然粒子的質量通常是在它處於靜止狀態時測量的,但速子的質量是虛構的。它只有在超光速下才有意義,但速子確實具有正常粒子的特性,比如自旋,或者有一個反粒子,在這種情況下就是反速子。在一個涉及速子的物理模型中,這些粒子對以虛擬粒子的形式存在於量子真空中,只有當像超新星或大爆炸這樣的壯觀的事件發生時,它們才會被傳送到我們的世界。只有這樣,速子才會離開量子真空,進入真正的真空,我們才有機會探測到它們。速子對使得科學家們可以去除相關的虛數,從而得到一個完美的結果。數學能夠解釋膨脹,並與現有的暗能量和暗物質屬性數據很好地工作。因為它們會重新吸收幾乎所有的光子,所以我們將無法看到速子。

還有其他方法來觀察速子。

一個比光還快的帶電粒子可以發射出所謂的切倫科夫輻射。如果在核反應中產生了速子,那麼它們就會發出切倫科夫光的美麗光芒。但到目前為止,還沒有實驗證明這一點。輻射會降低速子的能量並提高其速度,導致失控的反應,從而產生巨大的能量。在這種情況下,如果粒子沒有任何相互作用,速子理論就更有意義了。速子也不是通過散射正常物質來探測到的。我們對這些理論粒子無法控制。除非速子對我們這個世界的物質有某種影響,否則我們的速子理論永遠不會完整。

我們可以在無線電波指南中找到希望。

在這幅圖像中有三個波導的例子

波導是由銅或鋁製成的管道,無線電波和電磁模式通過這些管道。電磁模式比光的傳播速度快,雖然它們本身並不是能量或物質,只是一種物理結構,一種不違背物理定律的模式。就像速子一樣,我們無法將這些模式用作信息,因為在以超光速發送之前,需要以亞光速的速度對信息進行編碼。但我們的界限是明確的——物體的移動速度肯定總是比光快。

如果超光速子真的能讓我們擁有比光速還快的宇宙飛船,我們就需要跨越一個速度鴻溝。傳統的驅動器可以達到99.99%的光速,但一旦達到光速,這個鴻溝必須被跨越,而永遠不等於c。類似於原子核中的電子,它們從一個軌道轉移到另一個軌道,釋放出能量脈衝,我們稱之為量子。就像這些粒子可以在能量狀態改變時跳過軌道一樣,一個推進系統也可以使用這種技術來彌補光速和超光速之間的差距。

如果這些粒子存在的話,它們將帶來比星際旅行更壯觀的景象。它們帶來了時間旅行和因果關係的問題。因果關係是一種常識,認為一個原因會出現在一個事件之前,但超光速會產生悖論,因為超光速意味著時間倒退。根據觀察者的不同,粒子可以前進,可以後退,也可以「現在」才消失。結果先於起因而來,答案先於問題而來。在理論物理學中,超光速可以用來與過去的自我溝通。

弗裡德和蓋伯裡尼的速子模型產生了一種多元宇宙。湮滅對速子和反速子可能引起大爆炸,足以創造一個新的大爆炸

很難說超光速下會發生什麼現象。接近光速時,我們必須考慮時間膨脹。在某些情況下,太空人訪問一個新星系需要幾十年,而在地球上已經過了數百萬年。但無論它們是一種可能性還是僅僅是海市蜃樓,速子確實讓我們認識到一個事實:星際旅行是要付出代價的。將會有試驗和失敗,相對論效應……然而,要繼續在我們的宇宙中傳播和生存,這是一個我們必須解決的問題。

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