有没有速度超过光速的物体?

整篇原文《超过光速之后》 原稿
简稿已发表于《大科技》05/04 线将原稿公布如下,供大家讨论.
超过光速之后
光是一种波同时也是一种粒子,从泊松亮斑的证实到光电效应的发现无不说明了人们对光的喜爱.关于光的传奇,一直就是人们研究的热点,超光速问题更是一个百年的“悬案”
纵观各种猜想可归纳如下：
（一） 反对派,被大部分科学家所认同的光速只能接近,不可到达学说.
（二） 支持派,寻找两个空间的最近点,拦截光线从而使人超过光速.
众所周知,当给粒子加速时：越使其接近光速,那么所需的能量和技术难度都将大幅度增加.犹如N/（N+1）当N 无穷增大时,其值越接近于1,却无法等于1.以上就是反对派所提出的理由.对于超光速的问题,不言而喻它有一个致命的缺点就在于它的诞生是基于猜想,而没有实验或观测的依据.不过近些年来有报道说,天文学家在1997年10月探测到某类星体中的两个辐射源的分离速度竟达到了288万千米/秒.这是一个振奋人心的消息,它给了支持派一个有利的证据.（见《大科技》2004.01“本期视点”）
值得说明的一点就是：光速只是有质量的物体运动的极限或能量传递速度的极限,假如对于无质量的物体,那么光速也将只是一个速度而已.但这种速度对于我们的研究并没有太大的意义,最多只能为我们提供一个考虑途径.我们所需要的是实际物体的超光速,如宇宙爆炸初期在10-55至10-35秒时1052万千米/秒的速度、类星体中心辐射源一288万千米/秒的分离速度,因为只有这种速度才具有实际应用性.
在这种速度可以人为达到的前提下,人们已经开始了初步探索.其中较有影响的是“时间旅行”,不过它已经分成了两个分支.其中一个主流分支原理是基于波的多普勒效应,其解释大体如下：当你以亚光速飞行时,你周围的物体（如某些星体）所发出的或反射出的光会随着你的速度的加大,以越来越慢的相对速度赶上你.如果此时你的速度也恰达到了光速,那么它将永远无法超过你,并且你所看到的景象也将定格于你达到光速的瞬间.同样道理,当你继续加速并超过光速时,你所看见的就是先前所超过你的光了,从而你也就达到了“时间旅行”的目的.不过这种理论只能让你看而不能让你摸.但是另一个分支却可以让你能够身临其境的感受一翻.然而它的产生主要是由多个宇宙、多维重叠、虫洞等一系列无法得到证实的理论为基础,所以它的可行性就更是渺茫了.
除了“时间旅行”还有一些如：光速时新陈代谢停止,超光速时因质量极大而湮没等学说,但支持者甚少.
其实超光速猜想只是在一些已知事物规律的基础上进行的猜策而已,至于它的可行性我们无法得知,只能等实现以后才能得到证实了.在这里我们可以以“时间旅行”为例进行简单推导：
大家都知道一个物体之所以能够被我们看到,那是因为它发出或反射的光进入了我们的眼睛.那么假设当我们看到一个物体的同时开始向正上方以光速移动,则可知与我们同行的光并不是我们看到物体时射向我们眼睛的光,而是平行于我们的光.那时它可能就仅仅是一个光柱,而不在具有物体的形状,当然这些光柱也是不可见的.更不会出现光线渐汇聚于正前方一点的景象,这是因为在此情况下与在汽车中观察侧面雨滴轨迹,有着本质的不同.在光速下,人可视为一个点,而根据光的粒子性可知,我们所看到的就是运行到我们面前的光子而不能看到的就是前面所看到的最后一份光子的下一份.见与不见其实只差一个光子,因而不会有明显的光行差现象.而恰等于光速时,后面的光更不会能汇聚到前方来被我们看到.不过此时会有一些光线从前方或侧面射入我们的眼睛,这样我们实际上所看到的并不是我们前方的光,而是以我们达到光速瞬间时的景象为背竟,以飞行物周围不断变化的景象为动景的一副副重叠动态图象.当我们继续加速并超过光速时,我们所看到图象的背景也就开始变化了,处在正前方的天体就形成了较明显的光行差效果,看起来四周的光线开始向中心汇聚,并最终将在正前方形成一个极亮的点,这些是对于向我们运行的光来说的. 而对于与我们同向的光,也就是发生在我们所说的过去的光,会被我们所渐渐追上.此时我们所看见的实际图象就是：变化的过去景象中心嵌着一个亮斑的特殊景象.这样只要通过仪器将两幅图象分离开来就打成了一次完美的“时间旅行”了.
以上仅仅是基础理论,当我们将它运用到实际时那还需要考虑很多方面.例如：当你要追某地一个时刻的景象时,你要同时考虑地球的自转使光成螺旋状向不同的方向传播,以及一些天体对光线的弯曲等.若要看到某段完整的时间图象,那么你就先追上这段时间的末点的图象,然后再给飞行器加上一个水平方向上的加速度,使其轨迹恰等于当地光线受地球自转而使光线弯曲的轨迹,其型状与螺旋盘相似.你所要追的光线距地球越远,那么追到是你所要加的水平加速度越大,从而使飞行器所运行的轨迹曲率越大.值得强调的一点是：即使我们能沿此轨迹运动并成功找回所有的光线,但我们看到的景象却是以放倒录想的形式进行的.
“时间旅行”是诱人的,但超光速所能完成的并不仅仅是些,更重要得是它能使我们对宇宙有个更深的了解.我们都知道,光子在运动的时候是有质量的.那么它在传播时受多种力所合成的向心力的作用必然会产生一个在空间上的角度,不过这个角度是极小的.假设光会一直沿这个角度走下去,则它最终将回到起点.此时光所走的圆的半径,就可以说是宇宙的最小半径.这是因为光是无法从宇宙中逃逸出去的,所以光所运行的最大半径也不会
超过宇宙半径,但是这样推导下去就会产生一个与现在理论极不相符的结论.众所周知,宇宙如今还再不停的膨胀,也就是半径R仍在增大.但宇宙的总能量与总质量却是处于相对平衡状态,而宇宙的总能量是与光子的向心力成正比的,由向心力公式F=（MV2）/R 可知,在光的运行半径等于宇宙半径时的光速可设为绝对光速.而且它在以前的速度大于它,在它以后的速度小于它.由此可知光速也并非是恒定不变的,而且在宇宙诞生不到1S内光速可能是极大的.这个结论与《相对论》有着直接的冲突.但可喜的是最近科学家又通过其他手段也得出了以上光速的变化规律.由此我们可以确定以上的推导是正确的.
以上各点都是只有我们达到超光速时,才能发现的.现在谈及似乎为时尚早,因为超光速能否实现目前还在讨论之中.其时,这一点是不需多虑的,即使是不超过光速,有部分实验还是可以完成的.仍以“时间旅行”为例.科学家们已经可以让激光脉冲通过铯气室,从而达到了光速的310倍的速度,相信这样的成绩会对超光速的继续研究有积极作用.（参见《大科技》2002.8 P30“什么跑的比光快”）假如你认为这样的脉冲没有质量不能携带信息,更不会产生预期效果的话,那么就只有真正的超过光速了.虽然自然界的光速我们是无法超过的,但目前在实验室中,我们已经可以将光速降到了40m/s ,显而易见这样的速度我们很容易就能超过去,剩下的就是找到一种镶嵌在光的“减速剂”中的介质,以供其代替我们而进入的侦察物质运行.
超光速的研究有着诱人的前景几惊人的潜力.相信通过对它的深入探索,会有更多奇妙的事物将展现在我们面前.几种看似超光速,实质上不是超光速的事例：
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.
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.（一个有趣的问题是,竖直地拎着一根棍子的上端,突然松手,是棍子的上端先开始下落还是棍子的下端先开始下落?答案是上端.）
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.（译者注：索末菲和布里渊关于脉冲在媒质中的传播的研究证明了有起始时间的信号[在某时刻之前为零的信号]在媒质中的传播速度不可能超过光速.）
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.
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.
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