“真空光速不可超越”是现代物理学的基石之一,任何严格意义上超越真空光速的现象,都将意味着现代物理学体系的重构。但是,如果在概念上玩一些小花招,光速也不是不能被超越。在这篇文章中,我们就将看到超光速的N种情形。
2011年,探测中微子振荡的OPERA实验组宣布了一个令人震惊的结论:他们测得中微子速度超越了真空中的光速。这在物理学界马上引起了轩然大波,多数物理学家认为,一定是实验出了问题。最终,在接近一年的细致排查后,OPERA实验组发现这只是一次乌龙——这个实验结果是由于一个光纤接口不牢固而导致的。
从一个世纪前爱因斯坦建立狭义、广义相对论时起,真空光速的限制就是现代物理学中从未被打破的天条。在任意参考系中,真空光速都是一个定值,这是相对论的基础假设之一。物体从静止不断加速的过程中,质量会不断增大,加速所需要的能量也会在接近光速时趋近于无穷。因此任何原本亚光速的物体,在理论上都不可能超光速。
不过,之所以说物理是一个很严谨的学科,是因为一但我们在定义上耍一些滑头,不少物理定律也就不再适用了。对于光速而言,也是如此。在真实世界中,我们的确可以找到一些超光速的例子。
在宇宙这个极端物理实验室中,天文学家的确找到了超光速的例子——相对论性喷流。准确来说,在我们的参考系中看来,朝向我们的相对论性喷流中物质的速度是超光速的。
1969年,J. GUBBAY等人就在《自然》上发表论文表示,他们观测到3C 273喷流的速度超越了光速。这一结论在1981年《自然》上的一篇论文中得到了证实:研究团队通过对比1977年和1980年的照片,发现3C 273喷流的速度在我们看来确实超越了光速,是光速的9.6倍。
遇事不决,量子力学,超光速领域同样也有量子力学的一席之地——量子纠缠,量子隧穿都能“超光速”。高中课本就已经介绍过量子纠缠,爱因斯坦还称它为“幽灵般的超距作用”。粒子之间的某些属性可以发生纠缠,例如在某个方向上,测定一个粒子的自旋为上旋态,则另一个与其纠缠的粒子自旋一定为下旋态。无论两个粒子相距多远,测量都会让它们瞬间塌缩到相应的状态,速度远超光速。
波除了我们熟知的波速之外,还具有群速度和相速度这两种特殊的速度。当两束频率不同的波叠加时,就会让波的振幅产生周期性的变化,这个周期性形状向前移动的速度就是群速度。相位则是波中特定状态的位置,相速度就是特定相位传播的速度,比如震动到最大值的相位,或者震动到位置为0的相位移动的速度就是相速度。只要不传递信息和能量,这两种速度都能超光速。
除此之外,介质中的光速也可以被轻松超越。譬如在水中,光速大约就是真空光速的2/3。核反应堆运行时,其中放射性粒子的速度很容易就能超越水中的光速,从而发射出幽蓝色的切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)。利用切伦科夫辐射,科学家还能对中微子、潜在的暗物质粒子进行探测。
总之,不论是什么能超光速的手段,按照严格定义来说,都没能让信息和能量传播的速度大于真空光速。一个世纪以前,爱因斯坦假设的光速不变原理仍然没有被打破的迹象,成了物理学的天条之一。不过,物理学是基于实验的科学,光速的限制并不意味着它不可触碰。反而,如果有实验真真切切证明真空光速的限制可以被突破,那意味着物理学现在的“天”已经过时了,我们定会在那时迎来另一场物理学的狂欢。