相對論的基本原理指出,沒有任何東西可以比光速更快,但同時也觀察到了一些其他方式,可以在兩點間旅行時,用時要比光速更短。
一百多年前,二十世紀最重要的人——阿爾伯特·愛因斯坦提出了狹義相對論的基礎,即沒有什麼物質會比光速更快:光速是一個最高上限,速度約為每秒300000公裡。
光速被認為是自然界的一個基本常數,在著名的相對論方程E=mc中,光速(c)作為比例常數,將質量(m)和能量(E)的概念聯繫起來。
但我們怎麼能如此確信沒有任何物質比光速傳播更快呢?如果我們試一試的話,會發生什麼?
時間膨脹的問題
宇宙是一個時間-空間結構,也就是說,在超遠距離旅行中,不僅空間起作用,而且時間也在起作用。光,需要四年的時間才能從距離我們太陽系最近的恆星——比鄰星出發到達地球。光速總是不變的,它總是以相同的速速移動,不管我們走得有多快。光速是絕對的,而宇宙中的其他速度卻是相對的。
光速的絕對性帶來了一個結果:時間膨脹。也就是說,空間和時間也是相對的。時間膨脹指的是一名相對於固定時鐘移動的觀察者,所觀察到這個時鐘的「時間減緩」。
為了看得更清楚,讓我們想像一下我們在空間中以越來越快的速度加速運動。當我們達到光速時,我們會注意到「我們的時鐘」正在減速:我們會慢慢地凍結在時間中,就像「慢速」旅行一樣,我們永遠也無法達到30萬米/秒的光速。這是相對論的基礎。
那麼,我們如何超越光速?
那麼好吧,如果沒有什麼比光速更快,你可能會想這篇文章是不是標題黨。不是這樣。物理學考慮了在不違反絕對光速的情況下,在兩點之間實現比光速更快到達的方式,儘管是在理論層面。
理論物理學家米格爾·阿爾庫別雷(Miguel Alcubierre)在2018年的「未來大會」上,向公眾展示了兩種「比光速更快」的旅行方式。
1.蟲洞
在不違反愛因斯坦相對論的情況下(準確地說是利用它),我們找到了一種比光速「更快」的旅行方式(準確地說是,比光速所花的時間更短)。
蟲洞是一個假設的宇宙體,但它是基於相對論的一個原則:空間可以彎曲。從宇宙中一個遙遠的A點到另一個遙遠的B點的一種更快的方法是「彎曲」空間,在兩者之間創造一條隧道,如下圖所示。
如果光以紅色路徑從A到B,那麼它肯定要比我們通過綠色路徑所到達的時間更久。如果光和我們走同樣的路徑,它將永遠戰勝我們。
壞消息是,在實踐層面上,還沒有科學家知道如何創造這條捷徑。
這種蟲洞也被稱為「愛因斯坦-羅森橋」,是一種宇宙中的「捷徑」。早在1936年,愛因斯坦和羅森這兩位科學家就提出了蟲洞的假想概念。
2.扭曲推進
這是另一種以「扭曲空間」的方式來實現的過程。根據阿爾庫別雷的說法,這是通過加倍空間來推動我們前進,也就是說,這是一個「空間旅行」的問題。
假設空間在膨脹,也就是在「拉伸」,假設我們可以讓我們身後的空間在我們面前拉伸和收縮。如果我們可以成功地將空間從A點壓縮到B點,理論上我們可以比正常情況下的光走得更快。
阿爾庫別雷補充說,要使這兩種形式的空間旅行成為現實,我們需要大量的能量,相當於整個恆星;另一方面,我們也需要所謂的負能量。據我們所知,我們從未探測到負能量,它是一種反重力;但幸運的是,根據物理定律,並沒有排除它的存在。