超光速但不違反相對論的旅行方式

2020-11-23 cnBeta

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光的速度C是一個絕對的物理常數，無論你身處宇宙的何處也無論你移動的有多快，光在真空中的速度都是一個固定的值。這往往給你一種暗示：沒有什麼物質的運動速度能比光速更快，但事實並不是這麼簡單。事實證明，有幾種方法可以讓物質的運動速度超過光速。

首先我們需要注意的是，光速不變只是適用於光在真空中傳播。當光通過其他材料時，其速度會降低。這通常取決於材料的折射率n，折射率通常都大於1，而此時光的速度為光速C/n。比如當光通過水傳播時，其速度大約為0.75C。如果折現率小於1（目前並未有材料的折射率小於1），那麼光的速度就會超過真空中的速度C。

舉個例子，核反應堆裡面的電子由於能量巨大，它們以接近光速C運動。當這些高能電子穿過用於冷卻的水時它們的速度高於光在水中傳播的速度，這種超速現象稱之為切連科夫輻射，當發生這種現象時，呈現出一種藍色的光輝。

現實生活中的例子是，當飛機以超音速飛信時會引起音爆。還有就是在燈下晃動你的手，你會發現影子的速度比手的速度要快。影子與手晃動的速度之比等於它們到燈的距離之比。如果你朝月球晃動手電筒，你很容易就能讓落在月球上的光斑的移動速度超過光速。影子和與手晃動的速度之比確實等於它們到燈的距離之比，但影子的最快速度不會超過光速.光斑也是如此。假設有一個仰角為60度的斜坡，一個物體以0.6C的速度水平運動，那麼理論上在斜坡上的投影的速度是1.2C，實際上影子最大速度為C.現象表現為影子不會出現在該物體垂直投射的方位，而是會滯後.。

切連科夫輻射

另外一個現象是光通過聲波作為介質超光速。太陽通過核心的核聚變產生光。以光的速度，本應該在2到3秒就從太陽內部到達太陽表明。但太陽內部被密集的帶電粒子擠壓，光不能簡單地以直線傳播。一般來說，光子在一釐米的傳播距離內的方向都是隨機的。想像一下，一個光子試圖離開太陽內部，但在每一釐米的距離都在隨機方向運動。這種隨機方向的傳播，導致光子實際上需要大約20000到150000年才能傳播到太陽表面。

光子在太陽內隨機方向傳播

但如果光以聲波作為介質來傳播，那麼情況就不一樣了。聲波通過材料轉移能量，而不傳輸材料本身的壓力波。其結果是，光以聲波傳輸導致它們不受到核心中高能量粒子的擠壓和束縛。聲波可以在太陽內部以每秒數千米的速度傳播，此時光子從太陽內部到表面只需要幾分鐘的時間，它們的運動速度已經超過了太陽內部其他光子的速度。它們傳播所造成一個整體振動，這種聲波振動的研究被稱為日震或星震。通過分析這些聲音，我們能確定太陽內部的密度和壓力。

星震

上面這些例子雖然真實存在，但是還是沒有任何一種能超越光在真空中的速度。有沒有真正的超光速運動事實？當然如果真的有這種超光速的方式，這也要歸功於廣義相對論。

自1920年以來，我們已經知道，更遙遠的星系更快遠離我們而去，這種現象稱之為紅移。紅移與距離之間的關係被稱為哈勃定律。隨著時間的推移，我們已經認識到，宇宙空間本身正在不斷膨脹。

宇宙膨脹

宇宙膨脹的速率是由哈勃常數確定。目前的哈勃常數測量為20公裡/秒每百萬光年。這意味著兩個相距一百萬光年的點每秒正在遠離對方20公裡。如果2個點相距更大的距離，那麼它們遠離對方的速度越快。由於這個原因，如果考慮兩個點足夠遠，他們遠離的速度將超過光速。由於光的速度大約為30萬公裡/秒，以我們現在的哈勃常數來計算，這個超光速的2個間隔距離約為150億光年。如果一個星系離我們超過160億光年，那麼他遠離我們的速度就超過了光速。

宇宙膨脹

量子理論中有一個EPR悖論，由E:愛因斯坦、P:波多爾斯基和R:羅森1935年為論證量子力學的不完備性而提出的一個悖論，這一悖論涉及到如何理解微觀物理實在的問題。認為在測量兩個分離的處於entangled state的粒子時有明顯的超距作用。Ebhard證明了不可能利用這種效應傳遞任何信息，因此超光速通信不存在。但是關於EPR悖論仍有爭議。

打個通俗的比方是：我和你有一位朋友給我們都寄了一個盒子，盒子裡面裝的是一雙手套中的其中一隻。你知道盒子中是手套，但你並不知道你的盒子中是左手的手套還是右手的手套，除非等到你拆開你的盒子才知道。

1965年，貝爾研究了對兩粒子同時測量的各種結果之間可能存在的各種相關性，他用數學不等式的形式表達了尋找到的這類測量結果相關程度的理論限制。貝爾認為，可以想像存在著一個參照系，其中的事物速度比光快。實際上，在EPR實驗中包含著，景象的背後有某種東西比光的行進更快。要理解這段話，莫過於把EPR效應稱為纏結效應。那麼是否可以利用纏結效應使信息的傳輸速度大於光速呢？由於量子法則的限制，對光子的每次局域測量在孤立地考慮時，產生的結果是完全隨機的，因此不能攜帶來自遠處的信息，研究人員從中得知的僅僅是根據遠處測量的物體了解那裡測量結果的概率是多少。

時空彎曲

另外一個例子是所謂的蟲洞超光速。關於超光速旅行的一個著名建議是利用蟲洞。蟲洞是彎曲時空中連接兩個地點的捷徑，從A地穿過蟲洞到達B地所需要的時間比光線從A地沿正常路徑傳播到B地所需要的時間還要短。蟲洞是經典廣義相對論的推論，但創造一個蟲洞需要改變時空的拓撲結構。這在量子引力論中是可能的。開一個蟲洞需要負能量區域，科學家建議在大尺度上利用卡西米爾效應產生負能量區域。Visser建議使用宇宙弦。這些建議都近乎不切實際的瞎想。 具有負能量的怪異物質可能根本就無法以他們所要求的形式存在。

蟲洞旅行

所以除非我們掌握了時空彎曲，並通過蟲洞傳遞。我們仍然需要幾年、幾百年或者上千年才能達到遙遠的星系。

編譯自：medium

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