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超光速运动

2012-02-19 17:07:46 本文行家:宇宙与道

天文学中,超光速运动是一种外显的超过光速的运动,出现在一些无线电银河系、类星体中,最近也发现出现在一些称作微类星体的星系类辐射源。这些来源被认为中心含有黑洞,因此造成了质量体以高速射出。

超光速运动 - 基本信息

超光速运动超光速运动

对超光速运动现象的解释相当简单直接,即光行时间效应(light travel time effect)。想象一小团物质从银河系(星系)中心出发,并且朝向你极快速地移动,几乎是迎面而来。

当这团块还在银河中心时,它发出一些朝向你的光。在它移向你後(并且一点点偏向侧边),并且又再次向你发光,这次的光会花上比较短的时间向你行进,以其离你较近。如果你忽略了这项事实,那么你就会低估了真正的时间间隔(就你的惯性参考系而言),因此你会高估速率。

换句话说,若你要计算团块移动多快,却假设它移动方向垂直于你与银河间的连接线,那麼你就会低估时间间隔,因为你忽略了事实上它也朝你移动,而得到数倍於光速的速率。

这现象常见于两个反向的喷流,一道远离我们,一道接近我们。若这两道辐射源,我们都观测多普勒位移,则速度与距离可以被决定,不受其他观察项目的影响。

超光速运动 - 历史发展

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在1966年,马丁·里斯(Martin Rees)预测了( 《自然》杂志211期,468页):一物体以相对论性速度以及适切方向移动时,对远方观察者而言看起来可能像是有远大于光速的横向速度。

几年後(於1970年),这样的辐射源真的被发现了,形式为非常远处的天文学无线电频辐射源,例如无线电银河系与类星体。它们被称为超光速辐射源。这项发现是一项新技术的惊人结果,此技术称为特长基线干涉仪(Very Long Baseline Interferometry),允许小于毫角秒的位置决定,并可用在天空中位置变化的决定;这种变化称为自行(又称本动,proper motion),为期通常是好几年。外显速度的得到是透过将观察到的自行与距离相乘,可以上达6倍光速。

在1994年,在取得一项银河速率纪录的同时,发现了本银河系的超光速辐射源——宇宙x射线源GRS1915+105。团块的膨胀时间相对短得许多。许多个别的团块被侦测到(I.F. Mirabel and L.F. Rodriguez于《自然》杂志371期,48页,银河中的超光速辐射源(A superluminal source in the Galaxy) )其成对膨胀,一周内常可达0.5角秒。因为与类星体相类比,这样的辐射源被称为微类星体。 

超光速运动 - 理论成就

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超光速(faster-than-light, FTL或称superluminality)会成为一个讨论题目,源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制,光速成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。而在相对论中,运动速度和物体的其它性质,如质量甚至它所在参考系的时间流逝等,密切相关,速度低于(真空中)光速的物体如果要加速达到光速,其质量会增长到无穷大因而需要无穷大的能量,而且它所感受到的时间流逝甚至会停止(如果超过光速则会出现“时间倒流”),所以理论上来说达到或超过光速是不可能的(至于光子,那是因为它们永远处于光速,而不是从低于光速增加到光速)。但也因此使得物理学家(以及普通大众)对于一些“看似”超光速的物理现象特别感兴趣。

2000年7月,由于英国《自然》(Nature,2000,406:277)杂志发表了一篇关于“超光速”实验的论文,引起了人们对超光速倒底是否存在的讨论。其实对在介质中使光脉冲的群速度超过真空中光速c, 科学家们早有研究,而Nature中报道的这个实验就是实现了这种想法。但是这并非是人们想象的那种所谓违反因果律(或者相对论)的超光速,为了说明这个问题,让我们看一看由华人科学家王力军所做的这个实验。

光脉冲是由不同频率、振幅、相位的光波组成的波包,光脉冲的每个成分的速度称为相速度,波包峰的速度称为群速度。在真空中二者是相同的,但是在介质中如我们所知道的存在如下的群速度与介质。

折射率的关系:vg = c / ng ,   ng = n + ω(dn/dω)

显然在一定的情况下(如反常色散很强的介质)可以出现负的群速度,此时,光脉冲在介质中传播比真空中花的时间短,其差ΔT = (L/v) - (L/c)达到绝对值足够大时就可以观察到“超光速”现象,即“光脉冲峰值进入介质以前,在另一边已经有脉冲峰出射了”。

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那么这种超光速是不是违背因果率呢?我们仔细考查王的实验就会发现,出射光脉冲虽然是在入射脉冲峰值进入介质之前出现的,但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了,因此出射脉冲可以看作是由入射脉冲前沿与介质相互作用产生 的。其实王的实验重要意义正在于实现了可观测的负群速度的这一现象,而不是像媒体炒作的那样发现了什么“超光速”,负的群速度在这里就不能理解为光的速度了,它也不是能量传输的速度。当然,这一实验本身就说明我们人类对光的认识又前进了一步。对这个实验的解释只凭折射率与群速度的关系这个公式是远远不够的,这其中包含了量子干涉的效应,涉及到对光的本质的认识,揭开蒙在“超光速实验”头上的面纱,仍然是科学家们奋斗的目标。

很多人在了解了这个实验后就会想到能否用这种“超光速”效应来传递信息,在王的实验中,“超光速”的脉冲不能携带有用的信息,因此也就无从谈起信息的超光速传递,同样能量的超光速传输也是不行的。

与超光速实验具有相同轰动效应的是另一种“超光速”现象quantum teleportation即量子超空间传输(或量子隐形传态),这个奇妙的现象因其与量子信息传递及量子计算机的实现有密切联系而引起人们的关注。所谓超空间,就是量子态的传输不是在我们通常的空间进行,因此就不会受光速极限的制约,瞬时地使量子态从甲地传输到乙地(实际上是甲地粒子的量子态信息被提取瞬时地在乙地粒子上再现),这种量子信息的传递是不需要时间的,是真正意义的超光速(也可理解为超距作用)。在量子超空间传输的过程中,遵循量子不可克隆定律,通过量子纠缠态使甲乙粒子发生关联,量子态的确定通过量子测量来进行,因此当甲粒子的量子态被探测后甲乙两粒子瞬时塌缩到各自的本征态,这时乙粒子的态就包含了甲粒子的信息。这种信息的传递是“超光速”的。

但是,如果一位观测者想要马上知道传送的信息是什么,这是不可能的,因为此时粒子乙仍处于量子叠加态,对它的测量不能得到完全的信息,我们必须知道对甲粒子采取了什么测量,所以不得不通过现实的信息传送方式(如电话,网络等)告诉乙地的测量者甲粒子此时的状态。最终,我们获得信息的速度还是不能超过光速!量子超空间传输的实验已在1997年实现了。

以上两个超光速的方案目前还只处于理论探讨和实验阶段,离实用还有很远的距离,而且这两个问题都涉及到物理学的本质,实验现象及其解释都在争论之中。

超光速运动 - 相关知识

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人们所感兴趣的超光速,一般是指超光速传递能量或者信息。根据狭义相对论,这种意义下的超光速旅行和超光速通讯一般是不可能的。目前关于超光速的争论,大多数情况是某些东西的速度的确可以超过光速,但是不能用它们传递能量或者信息。但现有的理论并未完全排除真正意义上的超光速的可能性。首先讨论第一种情况:并非真正意义上的超光速。

1.切伦科夫效应:媒质中的光速比真空中的光速小。粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质中的光速。在这种情况下会发生辐射,称为切仑科夫效应。这不是真正意义上的超光速,真正意义上的超光速是指超过真空中的光速。

2.第三观察者:如果A相对于C以0.6c的速度向东运动,B相对于C以0.6c的速度向西运动。对于C来说,A和B之间的距离以1.2c的速度增大。这种“速度”--两个运动物体之间相对于第三观察者的速度--可以超过光速。但是两个物体相对于彼此的运动速度并没有超过光速。在这个例子中,在A的坐标系中B的速度是0.88c。在B的坐标系中A的速度也是0.88c。

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3.影子和光斑:在灯下晃动你的手,你会发现影子的速度比手的速度要快。影子与手晃动的速度之比等于它们到灯的距离之比。如果你朝月球晃动手电筒,你很容易就能让落在月球上的光斑的移动速度超过光速。遗憾的是,不能以这种方式超光速地传递信息。

4.刚体:敲一根棍子的一头,振动会不会立刻传到另一头?这岂不是提供了一种超光速通讯方式?很遗憾,理想的刚体是不存在的,振动在棍子中的传播是以声速进行的,而声速归根结底是电磁作用的结果,因此不可能超过光速。

5.相速度:光在媒质中的相速度在某些频段可以超过真空中的光速。相速度是指连续的(假定信号已传播了足够长的时间,达到了稳定状态)的正弦波在媒质中传播一段距离后的相位滞后所对应的“传播速度”。很显然,单纯的正弦波是无法传递信息的。要传递信息,需要把变化较慢的波包调制在正弦波上,这种波包的传播速度叫做群速度,群速度是小于光速的。

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6.超光速星系:朝我们运动的星系的视速度有可能超过光速。这是一种假象,因为没有修正从星系到我们的时间的减少。举一个例子:假如我们测量一个目前离我们10光年的星系,它的运动速度为2/3 c。现在测量,测出的距离却是30光年,因为它当时发出的光到时,星系恰到达10光年处;3年后,星系到了8光年处,那末视距离为8光年的3倍,即24光年。结果,3年中,视距离减小了6光年……

7.相对论火箭:地球上的人看到火箭以0.8c的速度远离,火箭上的时钟相对于地球上的人变慢,是地球时钟的0.6倍。如果用火箭移动的距离除以火箭上的时间,将得到一个“速度”是4/3 c。因此,火箭上的人是以“相当于”超光速的速度运动。对于火箭上的人来说,时间没有变慢,但是星系之间的距离缩小到原来的0.6倍,因此他们也感到是以相当于4/3 c的速度运动。这里问题在于这种用一个坐标系的距离除以另一个坐标系中的时间所得到的数不是真正的速度。

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8.万有引力传播的速度:有人认为万有引力的传播速度超过光速。实际上万有引力以光速传播。

9.EPR悖论:1935年Einstein,Podolski和Rosen发表了一个思想实验试图表明量子力学的不完全性。他们认为在测量两个分离的处于entangled state的粒子时有明显的超距作用。Ebhard证明了不可能利用这种效应传递任何信息,因此超光速通信不存在。但是关于EPR悖论仍有争议。

10.虚粒子:在量子场论中力是通过虚粒子来传递的。由于海森堡不确定性这些虚粒子可以以超光速传播,但是虚粒子只是数学符号,超光速旅行或通信仍不存在。

11.量子隧道:量子隧道是粒子逃出高于其自身能量的势垒的效应,在经典物理中这种情况不可能发生。计算一下粒子穿过隧道的时间,会发现粒子的速度超过光速。一群物理学家做了利用量子隧道效应进行超光速通信的实验:他们声称以4.7c的速度穿过11.4cm宽的势垒传输了莫扎特的第40交响曲。当然,这引起了很大的争议。大多数物理学家认为,由于海森堡不确定性,不可能利用这种量子效应超光速地传递信息。如果这种效应是真的,就有可能在一个高速运动的坐标系中利用类似装置把信息传递到过去。

Terence Tao认为上述实验不具备说服力。信号以光速通过11.4cm的距离用不了0.4纳秒,但是通过简单的外插就可以预测长达1000纳秒的声信号。因此需要在更远距离上或者对高频随机信号作超光速通信的实验。

12 卡西米(Casimir)效应:当两块不带电荷的导体板距离非常接近时,它们之间会有非常微弱但仍可测量的力,这就是卡西米效应。卡西米效应是由真空能(vacuum energy)引起的。Scharnhorst的计算表明,在两块金属板之间横向运动的光子的速度必须略大于光速(对于一纳米的间隙,这个速度比光速大10-24)。在特定的宇宙学条件下(比如在宇宙弦(cosmicstring)的附近[假如它们存在的话]),这种效应会显著得多。但进一步的理论研究表明不可能利用这种效应进行超光速通信。

13.宇宙膨胀:哈勃定理说:距离为D的星系以HD的速度分离。H是与星系无关的常数,称为哈勃常数。距离足够远的星系可能以超过光速的速度彼此分离,但这是相对于第三观察者的分离速度。

14.月亮以超光速的速度绕着我旋转:当月亮在地平线上的时候,假定我们以每秒半周的速度转圈儿,因为月亮离我们385,000公里,月亮相对于我们的旋转速度是每秒121万公里,大约是光速的四倍多!这听起来相当荒谬,因为实际上是我们自己在旋转,却说是月亮绕这我们转。但是根据广义相对论,包括旋转坐标系在内的任何坐标系都是可用的,这难道不是月亮以超光速在运动吗?

问题在于,在广义相对论中,不同地点的速度是不可以直接比较的。月亮的速度只能与其局部惯性系中的其他物体相比较。实际上,速度的概念在广义相对论中没多大用处,定义什么是“超光速”在广义相对论中很困难。在广义相对论中,甚至“光速不变”都需要解释。爱因斯坦自己在《相对论:狭义与广义理论》第76页说“光速不变”并不是始终正确的。当时间和距离没有绝对的定义的时候,如何确定速度并不是那么清楚的。

尽管如此,现代物理学认为广义相对论中光速仍然是不变的。当距离和时间单位通过光速联系起来的时候,光速不变作为一条不言自明的公理而得到定义。在前面所说的例子中,月亮的速度仍然小于光速,因为在任何时刻,它都位于从它当前位置发出的未来光锥之内。

15.明确超光速的定义:第一部份列举的各种似是而非的“超光速”例子表明了定义“超光速”的困难。象影子

超光速运动超光速运动

和光斑的“超光速”不是真正意义的超光速,那么,什么是真正意义上的超光速呢?在相对论中“世界线”是一个重要概念,我们可以借助“世界线”来给“超光速”下一个明确定义。

什么是“世界线”?我们知道,一切物体都是由粒子构成的,如果我们能够描述粒子在任何时刻的位置,我们就描述了物体的全部“历史”。想象一个由空间的三维加上时间的一维共同构成的四维空间。由于一个粒子在任何时刻只能处于一个特定的位置,它的全部“历史”在这个四维空间中是一条连续的曲线,这就是“世界线”。一个物体的世界线是构成它的所有粒子的世界线的集合。

不光粒子的历史可以构成世界线,一些人为定义的“东西”的历史也可以构成世界线,比如说影子和光斑。影子可以用其边界上的点来定义。这些点并不是真正的粒子,但它们的位置可以移动,因此它们的“历史”也构成世界线。

四维时空中的一个点表示的是一个“事件”,即三个空间坐标加上一个时间坐标。任何两个“事件”之间可以定义时空距离,它是两个事件之间的空间距离的平方减去其时间间隔与光速的乘积的平方再开根号。狭义相对论证明了这种时空距离与坐标系无关,因此是有物理意义的。

时空距离可分三类:类时距离:空间间隔小于时间间隔与光速的乘积类光距离:空间间隔等于时间间隔与光速的乘积类空距离:空间间隔大于时间间隔与光速的乘积。下面我们需要引入“局部”的概念。一条光滑曲线,“局部”地看,非常类似一条直线。类似的,四维时空在局部是平直的,世界线在局部是类似直线的,也就是说,可以用匀速运动来描述,这个速度就是粒子的瞬时速度。光子的世界线上,局部地看,相邻事件之间的距离都是类光的。在这个意义上,我们可以把光子的世界线说成是类光的。

任何以低于光速的速度运动的粒子的世界线,局部的看,相邻事件之间的距离都是类时的。在这个意义上,我们可以把这种世界线说成是类时的。而以超光速运动的粒子或人为定义的“点”,它的世界线是类空的。这里说世界线是类空的,是指局部地看,相邻事件的时空距离是类空的。因为有可能存在弯曲的时空,有可能存在这样的世界线:局部地看,相邻事件的距离都是类时的,粒子并没有超光速运动;但是存在相距很远的两个事件,其时空距离是类空的。这种情况算不算超光速呢?

这个问题的意义在于说明既可以定义局部的“超光速”,也可以定义全局的“超光速”。即使局部的超光速不可能,也不排除全局超光速的可能性。全局超光速也是值得讨论的。总而言之,“超光速”可以通过类空的世界线来定义,这种定义的好处是排除了两个物体之间相对于第三观察者以“超光速”运动的情况。

下面来考虑一下什么是我们想超光速传送的“东西”,主要目的是排除“影子”和“光斑”之类没用的东西。粒子、能量、电荷、自旋、信息是我们想传送的。有一个问题是:我们怎么知道传送的东西还是原来的东西?这个问题比较好办,对于一个粒子,我们观察它的世界线,如果世界线是连续的,而且没有其他粒子从这个粒子分离出来,我们就大体可以认为这个粒子还是原来那个粒子。

显然,传送整个物体从技术上来讲要比传送信息困难得多。现在我们已经可以毫无困难地以光速传递信息。从本质上讲,我们只是做到了把信息放到光子的时间序列上去和从光子的时间序列中重新得到人可读的信息,而光子的速度自然就是光速。类似地,假如快子(tachyons,理论上预言的超光速粒子)真的存在的话,我们只需要发现一种能够控制其产生和发射方向的技术,就可以实现超光速通信。

极其可能的是,传送不同的粒子所需要的代价是极其不同的,更经济的办法是采用复制技术。假如我们能够得到关于一个物体的全部信息,并且我们掌握了从这些信息复制原物体的技术,那么超光速通信与超光速旅行是等价的。科幻小说早就有这个想法了,称之为远距离传真(teleport)。简单的说,就是象传真一样把人在那边复制一份,然后把这边的原件销毁,就相当于把人传过去了。当然问题是象人这种有意识的复杂物体能否复制。

16.无限大的能量:E = mc^2/sqrt(1 - v^2/c^2)

上述公式是静止质量为m的粒子以速度v运动时所具有的能量。很显然,速度越高能量越大。因此要使粒子加速必须要对它做功,做的功等于粒子能量的增加。注意当v趋近于c时,能量趋于无穷大,因此以通常加速的方式使粒子达到光速是不可能的,更不用说超光速了。

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但是这并没有排除以其他方式使粒子超光速的可能性。粒子可以衰变成其他粒子,包括以光速运动的光子(光子的静止质量为零,因此虽以光速运动,其能量也可以是有限值,上述公式对光子无效)。衰变过程的细节无法用经典物理学来描述,因此我们无法否定通过衰变产生超光速粒子的可能性(?)。

另一种可能性是速度始终高于光速的粒子。既然有始终以光速运动的光子,有始终以低于光速的速度运动的粒子,为什么不会有始终以高于光速的速度运动的粒子呢?

问题是,如果在上述公式中v>c,要么能量是虚数,要么质量是虚数。假如存在这样的粒子,虚数的能量与质量有没有物理意义呢?应该如何解释它们的意义?能否推出可观测的预言?只要找到这种粒子存在的证据,找到检测这种粒子的方法,找到使这种粒子的运动发生偏转的方法,就能实现超光速通信。

17.量子场论:到目前为止,除引力外的所有物理现象都符合粒子物理的标准模型。标准模型是一个相对论量子场论,它可以描述包括电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用在内的三种基本相互作用以及所有已观测到的粒子。根据这个理论,任何对应于两个在有类空距离的事件处所作物理观测的算子是对易的(any pair of operators corresponding to physical observables at space-time events which are separated by a space like interval commute)。原则上讲,这意味着任何作用不可能以超过光速的速度传播。

但是,没有人能证明标准模型是自洽的(self-consistent)。很有可能它实际上确实不是自洽的。无论如何,它不能保证将来不会发现它无法描述的粒子或相互作用。也没有人把它推广到包括广义相对论和引力。很多研究量子引力的人怀疑关于因果性和局域性的如此简单的表述能否作这样的推广。总而言之,在将来更完善的理论中,无法保证光速仍然是速度的上限。

18.祖父悖论(因果性):反对超光速的最好证据恐怕莫过于祖父悖论了。根据狭义相对论,在一个参考系中超光速运动的粒子在另一坐标系中有可能回到过去。因此超光速旅行和超光速通信也意味着回到过去或者向过去传送信息。如果时间旅行是可能的,你就可以回到过去杀死你自己的祖父。这是对超光速强有力的反驳。但是它不能排除这种可能性,即我们可能作有限的超光速旅行但不能回到过去。另一种可能是当我们作超光速旅行时,因果性以某种一致的方式遭到破坏。总而言之,时间旅行和超光速旅行不完全相同但有联系。如果我们能回到过去,我们大体上也能实现超光速旅行。

第三部份:未定论的超光速的可能性

19.快子(tachyon):快子是理论上预言的粒子。它具有超过光速的局部速度(瞬时速度)。它的质量是虚数,但能量和动量是实数。有人认为这种粒子无法检测,但实际未必如此。影子和光斑的例子就说明超过光速的东西也是可以观测到的。目前尚无快子存在的实验证据,绝大多数人怀疑它们的存在。有人声称在测Tritium贝塔衰变放出的中微子质量的实验中有证据表明这些中微子是快子。这很让人怀疑,但不能完全排除这种可能。

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快子理论的问题,一是违反因果性,二是快子的存在使真空不稳定。后者可以在理论上避免,但那样就无法实现我们想要得超光速通信了。实际上,大多数物理学家认为快子是场论的病态行为的表现,而公众对于快子的兴趣多是因为它们在科幻作品中出现得次数很多。

20.虫洞:关于全局超光速旅行的一个著名建议是利用虫洞。虫洞是弯曲时空中连接两个地点的捷径,从A地穿过虫洞到达B地所需要的时间比光线从A地沿正常路径传播到B地所需要的时间还要短。虫洞是经典广义相对论的推论,但创造一个虫洞需要改变时空的拓扑结构。这在量子引力论中是可能的。开一个虫洞需要负能量区域,Misner和Thorn建议在大尺度上利用Casimir效应产生负能量区域。Visser建议使用宇宙弦。这些建议都近乎不切实际的瞎想。具有负能量的怪异物质可能根本就无法以他们所要求的形式存在。

Thorn发现如果能创造出虫洞,就能利用它在时空中构造闭合的类时世界线,从而实现时间旅行。有人认为对量子力学的多重性(multiverse)解释可以用来消除因果性悖论,即,如果你回到过去,历史就会以与原来不同的方式发生。Hawking认为虫洞是不稳定的,因而是无用的。但虫洞对于思想实验仍是一个富有成果的区域,可以用来澄清在已知的和建议的物理定律之下,什么是可能的,什么是不可能的。

21.曲相推进(warp drive):曲相推进是指以特定的方式让时空弯曲,从而使物体超光速运动。Miguel Alcubierre因为提出了一种能实现曲相推进的时空几何结构而知名。时空的弯曲使得物体能以超光速旅行而同时保持在一条类时世界线上。跟虫洞一样,曲相推进也需要具有负能量密度的怪异物质。即使这种物质存在,也不清楚具体应如何布置这些物质来实现曲相推进。

22。真空物质状态(energy state of vacuum matter):通过建立真空物质能量状态的二个假设,及基于等效Binet方程,给出了与Einstein狭义相对论有关结论相融合的物质粒子以光速及超光速运动的质量及能量方程;作为推论,对这些方程与暗物质及暗能量的可能对应关系予以了初步探讨。

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