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人类能否实现超光速旅行?

2022-06-02 06:43 来源:参考消息网

  参考消息网6月1日报道 美国趣味科学网站4月25日刊发题为《有东西比光速更快吗?》的文章,摘要如下:

  1676年,通过研究木卫一“伊娥”的运动,丹麦天文学家奥勒·罗默计算出光是以有限的速度传播。两年后,在罗默搜集的数据的基础上,荷兰数学家、科学家克里斯蒂安·惠更斯成为试图确定实际光速的第一人。

  惠更斯提出了每秒21.1万公里这一数字。这个数字按照今天的标准来看是不够精确的——现在,我们知道,在“真空”中,光速约为每秒299792公里。他的计算显示,光的速度令人难以置信。

  根据阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论,光的速度极快,以至于在宇宙中没有任何东西能够比光更快。

  美国亚拉巴马大学亨茨维尔分校推进研究中心航天工程学副教授贾森·卡西布里证实:“我们无法以超光速在真空中移动。”

  英国帝国理工学院理论物理学家克劳迪娅·德拉姆说:“严格地讲,‘没有什么东西能比光速快’的说法本身并不十分正确。”不过她说,也有一些注意事项需要考虑。

  光同时具有粒子和波的特性,因此既可将其视为粒子(光子),也可视为波。这就是所谓的“波粒二象性”。

  德拉姆说,如果我们将光视为波,那么就有“多重原因”解释为什么某些波在介质中的传播速度能够超过白色(或无色)光。原因之一就是“当光穿过一种介质——例如玻璃或水滴——时,不同频率或不同颜色的光的速度是不同的”。

  根据美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究,肉眼可观测到的最明显的例子就是彩虹。通常在彩虹顶部是波长较长、速度较快的红色,而底部则是波长较短、速度较慢的蓝紫色。

  不过,当光穿过真空时,情况就不是这样了。

  美国路易斯安那东南大学物理学教授雷特·阿兰在电子邮件中对趣味科学网站记者说:“所有光都是电磁波,它们在真空中的速度相同。这意味着,无线电波和伽马射线的速度是一样的。”

  因此,德拉姆认为,尽管只在非真空情况下成立,唯一能够超过光速的东西就是光本身,这听起来似乎有点自相矛盾。值得注意的是,无论介质如何,光速永远都不会超过每秒299792公里的最高速度。

  然而,卡西布里说,在讨论速度超过光速的事物时,还要考虑到其他一些因素。

  他说:“宇宙的某些部分正以比光速更快的速度远离我们,因为时空在膨胀。”例如,哈勃太空望远镜最近发现了来自“埃伦德尔”这一遥远恒星的129亿年前的光。然而,由于宇宙的各个点都在膨胀,“埃伦德尔”正在远离地球,且自其形成以来就一直如此。因此,现在这一星系与地球的距离是280亿光年。

  在这一情况下,时空正在扩张,时空中的物质则仍在光速范围内飞行。

  因此很显然,据我们所知,没有什么东西能够超越光速。但是,可能存在超越光速这样的情况吗?

  德拉姆说,爱因斯坦的狭义相对论和之后的广义相对论是“建立在空间、时间概念是相对的这一原则之上的”。那这意味着什么?德拉姆说:“如果一个人能够以比光速更快的速度行进并携带信息,那么他的时间概念与我们相比就会产生扭曲。就会出现未来影响过去的情况,那么现实世界的整个结构就不再合理了。”

  这表明,让人类以超光速行进或许是不太可取的。但未来这有可能吗?有朝一日,我们能够创造出一种航天器,以超光速推动物质——最终推动人类——在太空中行进吗?卡西布里说:“理论家提出了各种类型的曲速气泡,它们可以实现超光速飞行。”

  但德拉姆相信这一点吗?

  德拉姆说:“我们可以想象人类能够以光速与太阳系外的星系进行通信。但是,以光速发射人类是根本不可能的,因为我们无法实现加速到这一速度。”

  她还说:“即使在非常理想的情况下,我们想象我们能够保持匀加速,即使先不去考虑如何获取不断加速的技术,实际上我们也永远无法达到光速。我们可以接近,但永远无法达到。”

  卡西布里也认同这一观点。“如果你以1倍的重力加速度进行加速,你需要一年时间才能达到光速。然而,你永远不会真正达到这一速度,因为当你开始接近光速时,你的质能会增加,接近于无限,”他说,“对这一限制来说,我们所知的为数不多的‘作弊密码’之一就是扩大和缩小时空,从而拉近你的目的地。对于时空扩张或收缩的速度似乎没有基本限制,这意味着有朝一日,人类或许能够绕开这个速度限制。”

  阿兰也同样认为,超越光速是不大可能的。而与卡西布里一样,他也指出,其实如果人类想要探索遥远的行星,或许没必要非达到光速。他说:“我们能够理解的,比光速快的唯一办法就是在太空中运用某种类型的虫洞。这实际上并不会让我们超越光速,而是为我们提供一条可前往太空其他地方的捷径。”

  不过,卡西布里并不确定虫洞是否能成为现实的选择。他说:“根据爱因斯坦场方程的特殊解决方案,虫洞在理论上是可能的。如果可能的话,虫洞基本上可以给你提供一个捷径,从一个目的地到另一个目的地。不过,我不清楚是否有可能构建虫洞,也不清楚该怎么去着手做这件事。”

(责任编辑:欧云海)

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