相信绝大多数人对爱因斯坦的相对论都有所耳闻,即使不甚了解,至少也略有所知。相对论涵盖了狭义相对论与广义相对论两大部分,其中,狭义相对论中的一项核心观念为“光速限制”,简言之,即“光速是宇宙速度的极限”。
这一光速特性隐含了因果关系的存在,我们所处的世界正是一个充满因果关系的宇宙。换言之,结果永远晚于原因的出现,这也是自然界中的一条基本法则。
这很容易用一个简单的例子来说明:你挥手扇了自己一耳光,紧接着才感受到疼痛。疼痛不可能先于耳光发生,也就是你不可能先感受到脸疼,再扇自己一耳光。
然而,尽管相对论提出了“光速限制”,但它并非绝对。具体而言,自然界中任何拥有静质量的物体,或是任何携带信息与能量的物体均无法超越光速。
光速的极限速度约为每秒30万公里(准确值为299,792,458米/秒),无论是我们日常所见的宏观物体,还是微观世界的粒子,如电子、质子、中子等,它们均不能以光速移动,而只能无限接近光速。
为什么无法达到光速?
根据狭义相对论,一个物体的速度越大,其质量也越大(更准确的说法是动能越大)。如果一个物体无限接近光速,那么它的动能也将变得无限大。而能量与质量本质上是等效的,能量和质量只是物体表现出的两个方面。
若想让一个物体达到光速,就需要无穷多的能量,整个宇宙的能量也难以满足,这显然是不可能发生的。
目前,人类创造的最快速度已经非常接近光速,例如在大型强子对撞机中,我们可以将微观粒子加速到299,792,455米/秒,已经达到了光速的99.999999%!只与光速相差微小的距离。
但别因为这一点微小的差距就轻视它,不要认为我们只需要“加把劲”就能达到甚至超越光速,这“一点点”差距其实是一道无法跨越的鸿沟。即便是对恐怖无比的黑洞来说,也无法将物体加速到光速。
然而,“光速限制”仅限于具有静质量的物体,也就是说,如果没有静质量,理论上是可以达到光速的,或者说“没有静质量的物体必须以光速移动”。
例如,引力子(目前尚处于假说阶段)、胶子、光子等,它们天然便以光速移动,无需任何加速过程。
爱因斯坦的狭义相对论揭示了光速的极限,而自然界本身也必须存在光速的极限,因为我们所熟知的因果律依赖于它。如果一个物体能够超光速移动,因果律将被破坏,整个宇宙将陷入混乱,甚至可能分崩离析。
例如,假设超光速移动成为可能,你用猎枪射杀猎物,如果子弹的速度超过光速,你会先看到猎物倒下,然后才扣动扳机,因果律将完全被打破,现实世界将变得混乱不堪,无法预测。
回归现实世界的本质,世界由物质构成,物质则由基本作用力——电磁力、强力和引力——通过光子、胶子、引力子传递作用力结合在一起。如果物体的速度超过光速,那么这些基本作用力将无法跟上物体的速度,也就无法维持物质的结合。
没有物质,宇宙又从何而来?
然而,“光速限制”并不是绝对的,它有其前提条件,那就是“任何具有静质量、携带信息与能量的物体都无法超越光速”。这似乎表明自然界并没有完全封闭“超光速”的大门,还为我们留下了“一扇窗”,让我们能够在某些条件下尽情地超越光速。
在特定的介质中,我们可以实现超光速
光速在真空中的速度为每秒299,792,458米,但实际上,由于自然界充满了各种介质,光在介质中的速度总是低于光速。其速度公式为c/n,其中c代表光速,n是介质的折射率,n总是大于1。事实上,大多数情况下,介质中的光速远低于真空中的光速,例如光在水中的速度大约为0.75c。
利用这种特性,我们可以在特定的介质中实现“超光速”(超过介质中的光速,而非真空中的光速),从而达到“光障”的效果,科学家们也已经实现了这一效果。
当一个物体以超过介质中光速的速度穿越该介质时,会产生一种被称为“切伦科夫辐射”的光波(一种蓝色的光芒)。物体需要在密度较大的介质中快速移动,才能让我们的肉眼看到光障效果。例如,核反应堆以极高速度喷射出的电子,在穿越冷却水时的速度会超过水中的光速,从而产生锥形的激波。
宇宙大爆炸时的暴涨速度
长期以来,科学家们普遍认为,宇宙起源于一次大爆炸,一个体积无限小、质量密度无限大的奇点是一切的起点。然而,随着暴涨理论的提出,大爆炸理论似乎有些过时。
该理论认为,时间并不是从奇点突然膨胀开始的,而是从10^-41秒开始,此时宇宙已存在,大小约为一个天文单位(1.5亿公里)。
当时,宇宙中不存在任何物质,只有真空能,正是这真空能促使宇宙以指数级膨胀,然后在10^-36秒内暴涨结束。这一过程极为短暂。
随后,真空能衰变为物质,包括我们如今所知的基本粒子和反粒子。宇宙开始迅速膨胀。
膨胀的速度有多快?在一秒之内,宇宙的尺寸就膨胀到了一光年大小,一年之后,其大小与我们如今的银河系相当。可以想象,这个速度远超光速,即便是138亿年后的今天,宇宙膨胀的速度仍然在加快,不仅如此,宇宙空间每增加1百万光年的距离,膨胀速度就会增加20公里每秒,就像我们吹气球一样,气球上两个点的距离会越来越远,且远离的速度越来越快。
空间膨胀速度远超光速并不违反相对论,因为空间中的物体只是随空间运动,彼此之间并没有传递信息。
量子纠缠的奇异现象
许多人听说过“量子纠缠现象”,它非常奇特,甚至被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”,让爱因斯坦深感困扰,因为它彻底颠覆了经典物理学,他认为的世界是局域性的(不能超光速),而量子纠缠现象则是非局域性的。
例如,在量子世界中,两个发生耦合的微观粒子,无论它们相隔多远,哪怕在宇宙的两端,测量其中一个微观粒子的状态,如果粒子的自旋向下,那么另一个粒子的自旋必定向上,它们似乎拥有“心灵感应”,可以根据对方的状态瞬间作出决定。
尽管量子纠缠现象非常奇特,但科学家们已经证实了它的真实存在。结果证明爱因斯坦是错的,但并不是说他的相对论是错的。
量子纠缠与相对论中的“光速限值”并不矛盾,因为量子纠缠中的两个粒子并不能传递任何信息。因为我们在测量一个微观粒子的状态时,粒子表现出的状态都是随机的,每一次测量都意味着量子纠缠的坍缩,也就是说,一旦我们实施了测量,纠缠态就会立即消失,粒子之间不再发生纠缠。
因此,“光速不可超越”这一说法其实并不严谨,因为它不是绝对的,是有前提条件的。更准确的说法应该是任何信息的传递速度都无法超越光速(真空中的光速)。
这种非绝对性可以说是大自然留给我们的“漏洞”,我们可以利用这个“漏洞”进行“超光速”旅行,比如利用空间的弹性、折叠,甚至撕裂来瞬间跨越浩瀚星际距离,这正是虫洞和“曲速引擎”等概念的由来。