深度长文:光速不可超越?来看看四种超光速现象
实际上,科学界主流媒体还真的报道过超光速现象,但是后来那个事件被证实是一个乌龙。
物理本质上是一门实验科学,所有的证据都需要来源于实验。哪怕你的理论再完美、公式再漂亮,一旦不符合实验结果,就会被摒弃。
那么为什么一般没有见到超光速的研究呢?因为没有任何严格可信的实验证据表明超光速存在啊!(更准确的说法是,信息的传递速度不可能超过光速)
科学界曾报道过中微子超光速。2011年9月,OPERA研究小组报道了中微子的超光速运动现象,一时间引起了极大的讨论,有些人认为这可能会带来物理理论上的革命,但是更多科学家则是质疑实验的准确性,尽管研究小组声称实验非常可靠。
最终他们发现,是因为光纤缆线接触不良。将连接维修后,这问题不再发生。所以这则物理学史上的超光速的孤例,也被证明是有误的。所以,至今为止,还没有任何(包含信息传递的)超光速的可信实验证据。
最后我来讨论一下为何我一直在反复强调“包含信息传递”这件事情。实际上,不包含信息传递的超光速例子有很多。如果你本科学过相对论的话,相信很可能在课堂上老师就讨论过。
假如你有一支激光笔可以释放出特别强的激光,以至于你可以将激光打到月球上。那么当你摆动这支激光笔时,在月球上的光束移动速度等于角速度乘以地月距离,很可能是大于光速的!(线速度=角速度 距离)
但是这样的超光速是没有传递任何信息的——移动的光斑超过了光速,但是每次的光斑都不是之前的光斑的。你的激光笔的摆动(真正的信息)依然需要1.3秒(地月距离除以光速)才能传递到月球上。
我来具体解释一下。比如A/B相距1光年,那么A用激光笔照射到B那里需要1年的时间。这时A快速摆动激光笔,那么在B那边的光斑移动速度会超过光速,但是移动的仍然是1年前的光斑。
这是正儿八经的教学内容,不明白为什么还有的人说“学过大学物理就不会说出这话”。那是因为你只学过大学物理……北大物理学院近代物理的相对论课程中会提到这个激光笔的例子的。
我们来引申一下,假如不是激光笔,而是一个长达一光年的棍子呢?如果我快速扭动它,是否最远端可以超光速?答案是不能,因为固体内相对运动的传输速度是格波的速度,也就是声速。
2. 相速度
如果你做关于X光有关的科研的话,你可能会知道X光折射率往往是小于1的。这样一来,X光在物质中的传播速度岂不大于光速?这是不是超光速呢?
实际上,这是相速度。相速度不传递任何信息,是可以超过光速的。而真正包含信息的群速度,在正常情况下,则不能超过光速。
另外,在一些非常特殊的情况下,比如反常色散,群速度是可以大于光速的。但是此时由于介质会强烈吸光,信号速度不再等于群速度,并且依然可以证明此时信号速度小于光速。
3. 量子纠缠
很多人也都听说过量子纠缠,听说过这是一种超距作用。两个处于纠缠态的粒子,哪怕已经分离到无穷远了,一旦其中一个粒子的状态塌缩,那么另一个也会瞬间塌缩。很多人还听说量子纠缠可以用于量子通信,那么是不是可以传递信息呢?比如《三体》中就有这样的内容。
实际上,量子纠缠的确可以认为是超光速的,但是量子纠缠本身并不传递任何信息。在量子通信中,虽然会用到量子纠缠,但是还是必须结合传统方式传递的信息才能复现结果的。而以传统方式传递信息,则必然不会超过光速。所以,量子通讯也不会超光速,《三体》中的这部分也是有科学性错误的。
4. 宇宙暴涨理论
根据宇宙暴涨理论,在宇宙诞生的初期,有那么一段时间的膨胀速度超过了光速。关于这部分的细节,我就不太清楚了,只知道目前还有很多讨论和争议,比如有人认为光速是可变。
根据推测,大爆炸刚发生后的超光速暴涨过程产生了引力波