“超光速”指南来了！

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“超光速”指南来了！是怎么回事，是真的吗？2021年06月07日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                “超光速”指南来了！
                               
                                “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……
                               
                               


图片来源：Pixabay

撰文｜王昱
审校｜吴非

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。


当年的罪魁祸首（图片来源：G. Sirri/INFN BOLOGNA）

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。


超速的喷流

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。


3C 273的喷流速度在我们看来是光速的9.6倍（图片来源：Chandra X-ray Observatory/NASA）

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。

想象一队正向营地前行的士兵，大部队派一名传令兵奔向营地的观察者，向观察者报告大部队和营地之间的距离。当大部队前行的速度仅比传令兵慢一点时，就会出现这样的情况——上一秒传令兵刚刚达到营地，报告大部队在10里之外，下一秒，大部队就抵达了营地。在观察者看来，大部队在1秒内跑过了10里，比传令兵还要快。在极端相对论性喷流中，喷流物质“大部队”和光子“传令兵”的速度十分接近，一同奔向观察者，就会让观察者看来，喷流物质“大部队”超越了光子“传令兵”的极限速度光速。本质上，这种现象就是一种可以由相对论预言的视错觉，相对论性喷流只是看起来超光速，实际上并没有超光速。


遇事不决，量子力学

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。

量子隧穿是另一种由量子力学推导出的现象。由于波函数的性质，粒子其实是可以“穿墙”的。1962年，得州仪器（Texas Instruments）的一位半导体工程师托马斯·哈特曼（Thomas Hartman）撰写了一篇论文，表明量子隧穿过程中，其波包的速度是可以超光速的。并且，隧穿过的“墙”越厚，隧穿速度就越大，没有上限。


量子隧穿示意图（图片来源：Wikipedia）

不过当然，量子纠缠无法单独超光速传递信息和能量，量子隧穿整体的速度也都在光速之内。就算是利用到量子纠缠的量子隐形传态，作为一个整体，也不可能超光速传递信息。两个相互纠缠的量子比特，一个突然改变了状态，想要获得其中的信息，还需要用到以传统技术传输过来的信息，这导致它整体的信息传输速度一定是亚光速的。


群速度和相速度

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。


绿点代表群速度，红点代表相速度（图片来源：Wikipedia）

在大部分情况下，群速度是能量和信息沿着波传播的速度，是不能超光速的。不过，也有特殊情况。2009年，就有科学家在《科学》杂志上发表论文，表示他们可以自由控制光脉冲在固体色散材料（dispersive material）中的群速度。他们可以将群速度调整到慢于光速，快于光速，甚至可以为负数。在这种情况下波整体的形状变化很快，但信息和能量并不能以群速度传播。

而利用类似相速度的原理就更容易超光速了。晚上拿一根激光笔照向月球，理论上月面上会有一个暗到看不见的光斑。这时只要快速晃动激光笔，月球上的光斑就是超光速的。在这种情况下，可以大致理解为月球上出现光斑的“相位”移动速度是超光速的。虽然光斑的移动速度的确超越了光速，但是光斑之间彼此并不能让任何信息或能量超光速传递，也就没有违反相对论的假设。

甚至，仅靠机械结构就能超光速。如果将两个刀片以一个很小的夹角放置，比如20毫角秒（1度=3600角秒，1角秒=1000毫角秒），保持这个角度，让两个刀片以3米/秒以上的速度合到一起，那么两个刀片的交点就是超光速的。这个过程中两个刀片的交点就是一个“相位”，可以超光速。因为交点只是两个刀片几何关系的一种体现，没有与其对应的质量，不能传递能量和信息。（相速度的定义实际上要更严格一些，这两段只是类比，不是严格意义上的相速度。）


两刀片的交点（红点）在符合上文条件时，是可以超光速的。


物理学的天条

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。


美国爱达荷国家实验室ATR核心发出的切伦科夫辐射辉光（ 图片来源：Wikipedia）

科幻作品中常见的曲率引擎，虫洞等，也是一类为人熟知的超光速技术手段。这种技术也并非毫无道理，至少它符合广义相对论的推导。但是，同样是由推导得出，想要通过操纵空间实现超光速运动，需要负能量、负质量。而关于负能量、负质量的理论还都是一片空白。显然，在当前的物理水平下，这些科幻技术也只能是美好的幻想了。

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。


参考链接：
https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/neutrinos/neutrinos-faster-than-light/opera-what-went-wrong/
https://en.wikipedia.org/wiki/Faster-than-light
https://www.nature.com/articles/2241094b0
https://science.sciencemag.org/content/326/5956/1074