4個比光速還快的宇宙現象

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愛因斯坦狹義相對論(Special Theory of Relativity)中,質量與能量長期不變的結合在一起,形成一個簡單的基本方程式E=mc2,這個小小的等式預測了,沒有任何有質量的東西在移動時,速度可以和光速一樣,或者超越光速。

人類最近一次能夠達到光速,是在強力的粒子加速器當中,如大型強子對撞機(e Large Hadron Collider)和兆電子伏特加速器(Tevatron)。

這些龐大的機器促使次原子粒子加速達到99.99%的光速,然而就如諾貝爾物理學獎得主大衛·葛羅斯(David Gross)的闡釋,這些粒子永遠無法達到宇宙的速限。

如果要能達到的話,在過程中需要無限大的能量,因此這個物體的質量也會變得無限大,而這是不可能的。(光的粒子稱作光子,而它之所以能以光速移動,乃是因為它沒有質量。)

自愛因斯坦以來,物理學家發現有些存在可以達到超光速(意指比光速還快),並且仍遵循狹義相對論中所主張的宇宙常規。雖然這些存在無法反駁愛因斯坦的理論,但卻讓我們對光及量子界的奇特行為能有洞察了解的機會。

與光相媲美的音爆

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當物體移動速度要比聲速快時,它們會產生音爆。因此,理論中如果有東西移動的速度要比光速快,則它可能可以產生某種像「光爆」的東西。

事實上,這樣的光爆每天都會出現在世界各地的設備當中,透過自己的眼睛,你就可以看到,它就叫做契忍可夫輻射(Cherenkov radiation),以藍輝光在核反應爐中出現,就像右邊圖片,愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory)中先進測試反應器(Advanced Test Reactor)所呈現出來的顏色一樣。

契忍可夫輻射是以蘇聯科學家Pavel Alekseyevich Cherenkov之名作為命名,在1934年他成為第一位測量到此光的人,並以此發現在1958年獲得諾貝爾物理學獎。

契忍可夫輻射之所以發出白熱光,是因為在先進測試反應器的中心部位必須保冷,因而裡面充滿了水,又在水中,光速僅能達到它在外太空真空狀態下的75%,但此刻在核心中由內部輻射所創造出來的電子,在水中移動的速度卻是比光要來得快。

就像這些光子一樣,粒子在水中的速度要比光速還快,或者它們在其他像是玻璃的媒介物中,也可以產生類似音爆的震波。

例如,當火箭穿越空氣時,會在前端引起壓力波,而此壓力波將以聲速離開火箭,當火箭越靠近音障之時,壓力波自物體軌道離開的時間就越少。一旦火箭速度趕上聲速時,形成一串的波就會產生震動,而在那之前則會形成響亮的音爆。

同樣的,當電子在水中穿越的速度要比光在水中的速度快時,電子就會引發光的震波,所以有時不僅會出現藍光,也會出現紫外線光。

當這些粒子在水中的速度要比光快時,它們並沒有破壞宇宙中每小時670,616,629英里的速限。

當規則不適用時

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記得在愛因斯坦狹義相對論中有陳述,沒有任何有質量的東西能夠比光速還快,而直到物理學家們能夠斷定為止,宇宙的確是遵循那個規則。但若是沒有質量的東西會如何呢?

就光子的本質來說,它們是無法超越光速的,但是光的粒子並非全宇宙中唯一沒有質量的存在。看似空無一物的空間當中,其實蘊含了無形的物質,因此就定義而言,空也是沒有質量的。

理論天體物理學家Michio Kaku在Big Think中曾說:「既然沒有任何東西只是單純空無一物的空間或處於真空狀態,又沒有任何有形的物體可以打破光速界限,那麼空應該就可以擴展到比光速還快。因此,空間一定可以擴展到比光還快。」

物理學家們認為宇宙大爆炸之後即刻發生的狀況就是如此,而這個時期稱為大爆脹,在1980年代由物理學家阿蘭·古斯(Alan Guth)及安德烈·林德(Andrei Linde) 首度提出這樣的假設。在百萬分之一秒的百萬分之一的時間之內,宇宙再三的雙倍擴張,因此宇宙的外緣得以快速擴展,而速度甚至比光速還快。

量子糾纏辦到了

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量子糾纏聽起來複雜又嚇人,但是就最初的糾纏而言,只是次原子粒子彼此互相溝通交流而已。

Kaku在Big Think解釋道:「根據量子理論來說,如果我有兩顆電子靠得很近,它們可以和諧的一起震動。」現在,即使把那兩顆電子分開至距離有幾百光年甚至幾千光年之遠,它們之間即時通訊的橋梁依然可以保持暢通。

Kaku寫道:「如果我輕搖一顆電子,則另一顆電子立刻能『感應』到這個震動,這樣的通訊比光速還快。雖然沒有任何東西可以超越光速,但愛因斯坦想到了這點,因而反駁了量子理論。」

事實上,1935年時,愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基(Boris Podolsky)及納森·羅森(Nathan Rosen)試圖進行一場有如愛因斯坦提出的「鬼魅般行動的超距作用」之思想實驗,並藉此反駁量子理論。

然而諷刺的是他們的報告為現今稱之為愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論(Einstein-Podolsky-Rosen paradox;EPR)奠定了基礎。此悖論主要在描述量子糾纏的即時通訊,而此對於世界上一些最尖端科技,如量子密碼學而言,是不可或缺的重要部分。

蟲洞的夢想

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既然沒有任何有質量的東西可以超越光速,那麼你可以和星際旅行說再見了,至少,就傳統概念裡的太空飛船及飛行是這樣沒錯。

但是愛因斯坦雖然以狹義相對論摧毀了我們深入太空進行道路旅行的夢想,可他卻在1915年用廣義相對論(General Theory of Relativity)給了我們前往星際旅遊的希望。

雖然狹義相對論主要是在於質量與能量的結合,但廣義相對論則是將空間與時間編織在一起。

Kaku寫道:「要打破光速界限唯一可行的方法,也許透過廣義相對論以及空間時間的扭曲可以達成。」而這裡所指的扭曲,就是我們俗稱「蟲洞」,就理論而言,透過蟲洞可以讓某些東西在最即刻的時間內進行大規模距離的旅行,因此基本上,它可以讓我們打破宇宙速限,在非常短暫的時間內進行長距離的旅行。

理論物理學家基普·索恩(Kip Thorne),也就是電影《星際效應》的科學顧問及執行製作,他曾在1988年時,運用愛因斯坦廣義相對論的等式預測,蟲洞永遠為太空旅行而打開的可能性

但是為了要能能穿越,蟲洞中需要一些不可思議,奇特的物質讓它們保持敞開。

索恩在他的《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》(The Science of Interstellar)一書中提到:「感謝量子物理定律帶來的不可思議,如今奇特的物質可存在於黑洞中,真是令人感到驚奇!」

而這個奇特的物質在我們地表的實驗室中就可以製造出來,只是數量非常的少。當索恩在1988年提出這個穩定的蟲洞理論時,他號召物理學界協助他判定,宇宙中是否存有足夠的奇特物質,能夠支持蟲洞的這個可能性。

索恩寫道:「這件事引發許多的物理學家開始進行很多的研究,然而到了現在,已將近30年了,這個答案仍是未知數。」就現在而言,看起來不樂觀,他總結的說:「但我們距離最後的答案,還很遠呢。」

來源: Tech Insider