老胡說(shuō)科學(xué)

05-06 12:53優(yōu)質(zhì)創(chuàng)作者

反應(yīng)堆堆芯發(fā)出切倫科夫輻射的藍(lán)光

星際旅行是人類將面臨的最大挑戰(zhàn)之一。它是探索和理解宇宙的必要步驟。隨著時(shí)間的推移，它變得越來(lái)越必要，也越來(lái)越困難。

隨著宇宙繼續(xù)以巨大的速度膨脹，即使是接近光速的速度也可能是不夠的。離我們最近的恒星系統(tǒng)和星系發(fā)出的光將努力向我們靠近，它們的存在只能在我們的書籍和電腦程序中看到，這將不得不提醒我們，周圍的天空并不總是看起來(lái)那么空。以光速運(yùn)動(dòng)，在兩個(gè)星系之間的單向旅行需要數(shù)年時(shí)間。

愛(ài)因斯坦在1905年的論文中寫道：“大于光速是不可能存在的?！薄暗F(xiàn)代科學(xué)和數(shù)學(xué)已經(jīng)找到了聰明的方法來(lái)繞過(guò)這個(gè)問(wèn)題，這些漏洞允許超光速，同時(shí)又不與相對(duì)論相矛盾?！?/p>

這個(gè)可視化顯示了速子靠近時(shí)的樣子。事實(shí)上，我們會(huì)看到它的兩幅圖像，每幅圖像都朝著相反的方向。切倫科夫輻射由中間的白線表示。

假設(shè)宇宙中有兩種粒子。第一種是我們熟悉的粒子，它們構(gòu)成了普通物質(zhì)：質(zhì)子、電子、中子。它們可以接近光速，但永遠(yuǎn)達(dá)不到或超過(guò)光速(例如，中微子就非常接近)。如果把能量和動(dòng)量加到這些粒子上，它們就會(huì)加速。但是考慮另一類粒子，速子，它們的速度總是比光速快。它們是一種奇異的物質(zhì)，當(dāng)能量和動(dòng)量被加入時(shí)，它們會(huì)減速而不是加速。在能量為零的情況下，速子以無(wú)限快的速度運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，當(dāng)速子失去能量時(shí)，它們的速度會(huì)更快，而當(dāng)它們獲得能量時(shí)，它們的速度會(huì)減慢，最慢的速度是光的速度。一旦它們達(dá)到光速，速子就消失了。這是探測(cè)它們的挑戰(zhàn)之一。

這些速子不與相對(duì)論相矛盾的原因是它們不是以亞光速開(kāi)始，然后加速到超光速。相反，它們總是以超光速運(yùn)動(dòng)。這個(gè)概念在數(shù)學(xué)上沒(méi)有不妥的地方。物理學(xué)家杰拉德·范伯格在60年代首次向科學(xué)界介紹了速子，他預(yù)測(cè)這些粒子的速度可能比光速快10億倍。它們?cè)谡麄€(gè)宇宙中穿梭，不與任何物質(zhì)作用，卻掌握著理解宇宙的鑰匙。

科學(xué)家們?cè)谟钪嫔渚€中尋找過(guò)速子。當(dāng)它們到達(dá)時(shí)，這些閃著火花的“流星雨”正以99%的光速移動(dòng)，攜帶著大量的能量并與大氣中的分子發(fā)生碰撞。菲利普·克勞奇和羅杰·克萊的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，可能是這些簇射之前的超光速粒子。

雖然粒子的質(zhì)量通常是在它處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)測(cè)量的，但速子的質(zhì)量是虛構(gòu)的。它只有在超光速下才有意義，但速子確實(shí)具有正常粒子的特性，比如自旋，或者有一個(gè)反粒子，在這種情況下就是反速子。在一個(gè)涉及速子的物理模型中，這些粒子對(duì)以虛擬粒子的形式存在于量子真空中，只有當(dāng)像超新星或大爆炸這樣的壯觀的事件發(fā)生時(shí)，它們才會(huì)被傳送到我們的世界。只有這樣，速子才會(huì)離開(kāi)量子真空，進(jìn)入真正的真空，我們才有機(jī)會(huì)探測(cè)到它們。速子對(duì)使得科學(xué)家們可以去除相關(guān)的虛數(shù)，從而得到一個(gè)完美的結(jié)果。數(shù)學(xué)能夠解釋膨脹，并與現(xiàn)有的暗能量和暗物質(zhì)屬性數(shù)據(jù)很好地工作。因?yàn)樗鼈儠?huì)重新吸收幾乎所有的光子，所以我們將無(wú)法看到速子。

還有其他方法來(lái)觀察速子。

一個(gè)比光還快的帶電粒子可以發(fā)射出所謂的切倫科夫輻射。如果在核反應(yīng)中產(chǎn)生了速子，那么它們就會(huì)發(fā)出切倫科夫光的美麗光芒。但到目前為止，還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證明這一點(diǎn)。輻射會(huì)降低速子的能量并提高其速度，導(dǎo)致失控的反應(yīng)，從而產(chǎn)生巨大的能量。在這種情況下，如果粒子沒(méi)有任何相互作用，速子理論就更有意義了。速子也不是通過(guò)散射正常物質(zhì)來(lái)探測(cè)到的。我們對(duì)這些理論粒子無(wú)法控制。除非速子對(duì)我們這個(gè)世界的物質(zhì)有某種影響，否則我們的速子理論永遠(yuǎn)不會(huì)完整。

我們可以在無(wú)線電波指南中找到希望。

在這幅圖像中有三個(gè)波導(dǎo)的例子

波導(dǎo)是由銅或鋁制成的管道，無(wú)線電波和電磁模式通過(guò)這些管道。電磁模式比光的傳播速度快，雖然它們本身并不是能量或物質(zhì)，只是一種物理結(jié)構(gòu)，一種不違背物理定律的模式。就像速子一樣，我們無(wú)法將這些模式用作信息，因?yàn)樵谝猿馑侔l(fā)送之前，需要以亞光速的速度對(duì)信息進(jìn)行編碼。但我們的界限是明確的——物體的移動(dòng)速度肯定總是比光快。

如果超光速子真的能讓我們擁有比光速還快的宇宙飛船，我們就需要跨越一個(gè)速度鴻溝。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器可以達(dá)到99.99%的光速，但一旦達(dá)到光速，這個(gè)鴻溝必須被跨越，而永遠(yuǎn)不等于c。類似于原子核中的電子，它們從一個(gè)軌道轉(zhuǎn)移到另一個(gè)軌道，釋放出能量脈沖，我們稱之為量子。就像這些粒子可以在能量狀態(tài)改變時(shí)跳過(guò)軌道一樣，一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)也可以使用這種技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)光速和超光速之間的差距。

如果這些粒子存在的話，它們將帶來(lái)比星際旅行更壯觀的景象。它們帶來(lái)了時(shí)間旅行和因果關(guān)系的問(wèn)題。因果關(guān)系是一種常識(shí)，認(rèn)為一個(gè)原因會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)事件之前，但超光速會(huì)產(chǎn)生悖論，因?yàn)槌馑僖馕吨鴷r(shí)間倒退。根據(jù)觀察者的不同，粒子可以前進(jìn)，可以后退，也可以“現(xiàn)在”才消失。結(jié)果先于起因而來(lái)，答案先于問(wèn)題而來(lái)。在理論物理學(xué)中，超光速可以用來(lái)與過(guò)去的自我溝通。

弗里德和蓋伯里尼的速子模型產(chǎn)生了一種多元宇宙。湮滅對(duì)速子和反速子可能引起大爆炸，足以創(chuàng)造一個(gè)新的大爆炸

很難說(shuō)超光速下會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象。接近光速時(shí)，我們必須考慮時(shí)間膨脹。在某些情況下，宇航員訪問(wèn)一個(gè)新星系需要幾十年，而在地球上已經(jīng)過(guò)了數(shù)百萬(wàn)年。但無(wú)論它們是一種可能性還是僅僅是海市蜃樓，速子確實(shí)讓我們認(rèn)識(shí)到一個(gè)事實(shí)：星際旅行是要付出代價(jià)的。將會(huì)有試驗(yàn)和失敗，相對(duì)論效應(yīng)……然而，要繼續(xù)在我們的宇宙中傳播和生存，這是一個(gè)我們必須解決的問(wèn)題。