超光速旅行要来了?别急听听专家怎么说

2022年7月30日 by 没有评论

相对论要求“任何质点的速率都小于光速”,这里的速率特指对质点做当时当地测量所得的速率,即定域速率。只要与这个速度定义不等价,超光速未必违背相对论。

科幻作品中的主人公经常借助一种被称为曲速引擎的工具进行超光速星际旅行。在《星际迷航》的虚拟宇宙中,曲速引擎就是一种超光速的推进装置。受此启发,从广义相对论出发,物理学家米圭阿库别瑞于1994年提出科学意义上的曲速引擎概念。

日前,国际知名期刊《欧洲物理杂志C辑》报道称,美国国防高级研究计划局(DARPA)物理学家哈罗德怀特率领团队在真实世界中发现了一个曲速泡。有人认为,怀特的纳米级曲速泡有望为制造曲速引擎打开一扇门,引领人类进入超光速时代。

对此,中国科学院理论物理研究所副研究员李理2月中旬对记者表示,怀特团队做了一些数值模拟,预言在某种特定的微结构下可以给出负的能量密度分布,这有些类似于维持阿库别瑞时空结构(曲速泡)所需要的负能量。但是其能否跟曲速泡或曲速引擎联系起来,还有待研究。

理论物理学家加来道雄在《不可思议的物理》中指出,根据广义相对论,超光速移动有两种途径:延伸空间和卷曲空间。前者的最佳例子是曲速引擎,后者的例子则是虫洞。

李理介绍,曲速引擎技术是在宇宙飞船外围创造出一种正常时空的人工气泡,被称为曲速泡。曲速泡附近的时空扭曲得非常厉害,飞船前方的空间被压缩,而后面的空间被拉长,这样飞船就会被曲速泡带着走。在离飞船非常远的人看来,飞船的速度可以超过光速,而飞船里的船员会认为自己是静止不动的。“整个泡泡移动时带着太空船前进,某种意义上类似于小船在河里被水流带着漂流。”他比喻道。

阿库别瑞1994年提出的使时空扭曲的具体设想,可达到能以任意“速度”飞行的效果,但是这一时空结构(指曲速泡)需要具有负能量的奇异物质来维持。

“通常,物理学家们首先采用正能量来推进一艘宇宙飞船,其移动速度永远慢于光速。为了超越光速,必须更换燃料。”加来道雄在书中写道,对于超光速而言,负能量不可替代,而且也许负能量确实存在。对此,李理解释说,将宇宙飞船以超光速推进必然要找到具有负能量的物质,科学家们在自然界中寻找负物质的努力迄今为止尚无结果,其也尚未被证明存在,这和虫洞遇到的情况一样。

李理表示,目前人们已知和负能量最接近的能量是通过所谓的卡西米尔效应产生的,该效应指两块靠近的金属板之间存在吸引力。而这实际上是量子效应造成的金属板之间区域的能量密度低于金属板外面。通常认为金属板外面区域的能量密度为零,所以金属板之间区域就具有负的能量密度。李理表示,这也是怀特团队所报道的负能量密度的来源。

光速是一个极限速度, 任何物体的运动速度都无法超过光速。这个狭义相对论中的观念已经深入人心。如果物体运动接近光速,将会带来显著的尺缩效应、钟慢效应以及质增效应。

李理强调,这里的“超光速”只是一种表观的超光速,并不违背相对论。他解释道,相对论要求“任何质点的速率(速度的大小)都小于光速”,这里的速率特指对质点做当时当地测量所得的速率(定域速率)。只要与这个速度定义不等价,超光速未必违背相对论。

“相对论虽然对物体的运动速度给出了限制,但是对空间自身的膨胀速度没有任何限制。”李理举例,当前宇宙在加速膨胀,两个星系相互远离的速率随着距离的增加而增加,对于距离足够远的星系退行速率将大于光速,但是这并非因为星系(团)本身的运动,而是因为空间本身在膨胀,此时的“超光速”不违背相对论。

在他看来,曲速引擎的“超光速”移动也可以归结为空间膨胀。“飞船在曲速泡中本身相对泡泡并不移动,这样就避免了相对论中提出的质增效应和时间膨胀效应(钟慢效应),与此同时,曲速泡附近的时空扭曲得非常厉害,带动整个曲速泡和泡泡内的飞船前进。”李理说。

1905年,爱因斯坦发表了《论运动物体的动力学》,建立了狭义相对论。狭义相对论基于两条基本原理:光速不变原理和狭义相对性原理。更重要的是,爱因斯坦将时间和空间统一为一个整体“时空”。

李理介绍,在狭义相对论中,两个事件从一个参考系来看是同时的,而从另一个相对运动的参考系来看就不再是同时的事件了。“正是这种对牛顿绝对时空观的破坏导致了许多看似反常的现象,最典型的三个效应就是尺缩效应、钟慢效应以及质增效应。”他指出。

最核心的一点就是“同时”的相对性。比如测量尺子长度,需要同时测量尺子的两端坐标,根据两者之差得出尺子长度。对于静止的尺子来说这很容易做到,但是在尺子运动的情况下就变得复杂。由于同时是相对的,运动参考系中的同时测量跟静止系不同。这种尺缩效应不是弹性之类的物理机制在起作用,而完全是一种运动学效应。物理的尺子只有一把,但是不同惯性系有不同的“同时面”,导致测到不同的长度。同样的运动学效应还有钟慢效应,即对于运动的物体,其变化用静止观者的时钟去测量会变慢。尺缩效应中没有任何东西真正收缩,钟慢效应中也没有任何钟的走时率真正变小。

更具体地说,尺缩和钟慢效应都来自于狭义相对论中要求物理定律的形式在洛伦兹变化下不变(洛伦兹协变性),质增效应也是这种情况下一个直接的结果。

李理表示,在运动物体的速度接近于光速的极端情况下,尺缩比例会变得无穷大,时钟会变得像停住了一样,此外物体的质量(能量)在接近光速时也趋于发散。这意味着需要无穷大的能量才能使物体的速度达到光速,从中可以看到光速是一个极限速度, 任何物体运动都无法超越光速。在速度远远小于光速时,相对论效应就无法体现,牛顿力学可以作为狭义相对论在低速情况下一个好的近似。

“狭义相对论中的这些效应已经得到了大量实验的验证,甚至在我们日常生活经常使用的卫星导航系统也必须考虑钟慢效应的影响。”李理补充道,狭义相对论跟量子力学结合产生的量子场论在描述亚原子粒子方面取得了巨大成功,建立了统一描述电磁力、强力和弱力三种基本相互作用的粒子物理学标准模型。令人惊叹的是,相对论在化学中也非常重要,重元素原子内层电子平均速度可以高达光速的三分之二,从而必须考虑相对论效应,这就导致了日常见到的金子闪亮亮的金黄色和水银的低熔点。

不论是广义相对论还是量子场论,都不允许定域速率超过光速。如果观测发现定域速率超过光速的情况,将会对基础物理学产生重大挑战。

2011年意大利格兰萨索国家实验室下属奥佩拉(OPERA)实验小组的研究人员在实验时发现了“中微子超光速”现象,造成了巨大的轰动,然而最终发现这是由于实验装置存在问题导致的错误结果。

人们也基于各种动机提出了一些超光速的理论。快子(tachyon)就是一种理论上假想的超光速粒子,它总是以超光速运动。理论上也可能存在由快子组成的宇宙,但人们还从未发现快子存在的直接或间接证据。此外,还有一些修改的引力理论也存在超光速传播现象,如有些具有高阶导数修正的引力理论和双度规理论。

“客观来说,这些理论或多或少都存在一些问题,目前也没有发现任何可信的超光速的实验迹象。但是,科学的发展告诉我们,保持开放的思想十分必要。”李理表示。

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