飞得比光还快！
超光速导航“扭曲”是可以实现吗？

光速是多少？

描述超光速导航或扭曲技术的作品有很多，包括仍在制作新剧的《星际迷航》、最新作品成为今年冬天热门话题的《星球大战》，以及因对黑洞的真实描述而成为热门话题的电影《星际穿越》。

顺便说一句，“扭曲”一词的意思是“扭曲”，并且由于《星际迷航》中使用了扭曲空间和以超光速旅行的概念，因此“扭曲”一词被确立为指代超光速导航。

[图1]扭曲图像

然而，实际上，这种技术尚未实现，而且几乎可以肯定从一开始就是不可能的。为什么说不可能超过光速呢？

物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）提出的相对论指出“光是万物中最快的，没有什么可以超越它”，并且各种理论被放在一起来解释这个世界的形状。如果存在比光还快的东西，就会与现代物理学基础爱因斯坦的相对论相矛盾，人类目前感知世界的方式将是错误的，物理教科书将被彻底改写。

光速是真空中的光速，为每秒 299,792458 公里（约 300,000 公里）。这个速度可以让它在一秒钟内绕地球七圈半。

而这种光与我们所熟悉的物质和粒子不同，它具有非常不寻常且极其严格且完全准确的属性，正因如此，人类不可能创造出能够达到光速的物质，更不用说超过光速了。

例如，如果从行驶中的汽车中向前扔出一个普通物体（例如棒球），那么对于外面观察它的人来说，球似乎以投掷速度与汽车速度之和飞走。同样，如果你跑步时打开手电筒，那么跑步的速度和光速相加，手电筒的速度不就可以超过光速了吗？相信大家都能想到。

然而，实际上，光速约为30万公里，根本没有变化。即使乘坐新干线、飞机、火箭也是如此。这就是所谓的“光速恒定原理”，是相对论的基本原理之一。

此外，正如我所写的“真空中的光速约为 300,000 公里/秒”，光速在空气和水中会降低，因为构成这些物质的原子和分子阻碍了光的传播。例如，光在空气中的速度约为真空中的9997%，在水中约为75%，因此物质和粒子在空气或水中超过光速是有可能的。

[图2]光在水下传播
光速在空气或水中比在真空中慢。
©Pixabay

然而，无论是在空中还是水下，最大速度本身保持不变，约为 300,000 公里/秒，即真空中的光速。也就是说，即使有可能在水下超过光速，除非超过约30万公里/秒，否则不能称为超光速导航或曲速。

首先，我们知道人类实际上无法创造出任何能够达到光速的东西。例如，欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）将质子加速到光速的999999991%，并通过碰撞进行各种研究。如果一个粒子能被加速到这种程度，看起来只要再加一点能量就可以超过光速，但实际上，粒子越接近光速，加速所需的能量就越多，不但不能超过光速，而且不可能，因为要达到光速需要无穷大的能量。从相对论和实际实验中可以清楚地看出这一点。

[图3] CERN 的大型强子对撞机
质子可以加速到光速的 999999991%。
©壁纸光晕

顺便说一句，“引力波”被认为传播速度约为 300,000 公里，与光速相同。首先，爱因斯坦并没有说只有光才能达到光速；他说的是光速。他只是以光为例来阐述他的相对论，因为光是自然界中最快、最熟悉的东西。爱因斯坦说，零质量的物体以自然界最高的速度，即光速运动。

引力波是爱因斯坦广义相对论中提出的，也被称为“时空波纹”。当有质量的物质或能量存在时，其周围的时空就会发生扭曲，当这种物质加速时，时空的扭曲就会以光速传播。多年来，许多科学家一直在尝试探测引力波，2015年9月14日，美国引力波望远镜“LIGO”成功探测到引力波。

“引力子”的存在被提出作为这种引力波的基本粒子，即传递重力的基本粒子。与光的基本粒子（光子）一样，这些引力子被认为具有零质量，因此引力波据说以光速传播。然而，迄今为止，我们尚未发现引力子或确定其质量。

[图4]扭曲宇宙飞船的图像
©Pixabay

使用虫洞可以超越光速吗？

那么，超越光速真的不可能吗？

其中一个关键是“虫洞”，我在本系列的第一部分中提到过。虫洞是一种将空间和时间上的一点连接到另一点的类似隧道的结构，也可以描述为连接不同位置的两个黑洞，或者一个黑洞和一个白洞的隧道。

该理论始于爱因斯坦和物理学家内森·罗森（1909-1995）于 1936 年联合发表的一篇论文，当时被称为“爱因斯坦-罗森桥”。

后来，受这篇论文的启发，物理学家约翰·惠勒（John Wheeler，1911-2008）和物理学家查尔斯·迈斯纳（Charles Meissner，1932-）在 1957 年发表的一篇联合论文中建立了这个概念。顺便说一句，正是在这个时候，这个概念被命名为虫洞。惠勒的想法来自于这样的类比：当一条蠕虫试图从苹果表面的一个点到另一侧时，它可以通过挖一个洞并在里面移动来短距离到达那里，而不是沿着表面无休止地移动。

[图5]虫洞概念图
虫洞的想法是，在苹果表面挖一个洞并从 A 点到 B 点比从 A 点到 B 点要快
©Pixabay

正如第1部分中提到的，虫洞的存在尚未得到证实，但许多物理学家已经从各种角度对其进行了研究。

其中最著名的是美国物理学家基普·索恩（Kip Thorne，1940-），他也因获得 2017 年诺贝尔物理学奖而闻名。在天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan，1934-1996）的小说和电影《接触》中，他为可以到达天琴座织女星行星的虫洞设计了理论基础。此外，他还参与了电影《星际穿越》的制作，讲述了人类利用出现在土星附近的虫洞前往另一个星系，寻找可以定居的星球的故事。在这两种情况下，虫洞都被用作以比光速更快的速度前往遥远地方的手段。

然而，这些只是电影故事，目前无法实现。确实，通过虫洞可以瞬间到达另一个地方，但前提是你能穿过虫洞。 事实上，虫洞内的潮汐力是如此之大，以至于任何穿过虫洞的物体都会被撕裂并粉碎到亚原子粒子的水平。

也有人说虫洞无法稳定存在，有理论认为维持允许航天器等物体通过的虫洞结构需要巨大的能量，或者需要具有“负质量”的物质，这是一种“奇异材料”。目前的科学理论认为，不可能将虫洞用作捷径，因为前者需要相当于创造宇宙所需的能量，而后者则根本没有找到这种物质。

[图6]一艘宇宙飞船试图穿过虫洞的图像
人们相信物体在穿过虫洞时会被撕裂
©Pixabay

阿尔库别尔大道

一种称为“阿尔库别尔驱动”的方法自 20 世纪 90 年代以来一直备受关注，作为一种不同于虫洞的超光速导航方法，并且可能有可能成为现实。

这是由墨西哥物理学家米格尔·阿尔库别尔 (Miguel Alcubierre) 设计的，该理论经过精心研究，可以在不违反爱因斯坦相对论的情况下实现超光速导航。

如上所述，爱因斯坦的相对论指出，无论你做什么，都无法超过光速。然而，这适用于固定空间中的物体，而不适用于空间本身正在膨胀的情况。首先，物体之所以不能超过光速，是因为如果物体的运动速度超过光速，就有可能将未来的信息传递到过去，而过去因产生果的“因果法则”就会崩溃。

然而，物体运动的空间有可能膨胀到超过光速，这表明称为宇宙的空间正在膨胀。先前的观测表明，星系远离我们的速度与它们的距离成正比。如果我们与星系的距离加倍，它远离我们的速度也会加倍，这意味着距离较远的星系正在以更快的速度远离我们，这意味着从一定距离开始，它们（或似乎）以比光速更快的速度远离我们。这被称为“哈勃-勒梅特定律”。

[图 7] 后退星系的图像
星系距离我们越远，它离开我们的速度似乎就越快，因此从一定距离来看，它的离开速度似乎比光速还要快
©pixabay

这条定律的重要一点是，星系本身的运动速度并不比光速快，而是因为地球和星系之间的空间正在被拉伸而显得如此。也就是说，在与我们相同的空间中，地球与银河系的相对速度并没有超过光速，因此并不违反相对论。此外，即使膨胀空间中的物体从另一个空间观看时看起来超过了光速，它也不会（或不能）影响从该物体到另一个空间的信息传输，因此它不违反因果律。

基于此，阿尔库别尔认为，通过扭曲空间本身，或许可以使飞船看起来移动速度超过光速。他设计了阿尔库别雷驱动器，这是一种曲速导航方法，涉及将宇宙飞船包裹在一种称为“曲速气泡”的东西中，收缩其前面的空间，并扩大其后面的空间，从而改变宇宙飞船被曲速气泡包围的空间的坐标。

由于宇宙（空间）的膨胀可以超过光速，所以从外部（另一个空间）看去，看起来里面的一艘飞船已经超过了光速，但由于那个空间内的空间，也就是飞船本身，没有超过光速，所以不违反相对论，也不违反因果律，因为飞船内部不可能与外界进行通信空间。

当然，这不是那么简单；为了创造这样一个空间，需要一种具有负质量的奇异材料，类似于虫洞，据说所需的能量比一个宇宙的能量还多。

此后，其他科学家发表了关于扭曲气泡的研究，表明可以通过将扭曲气泡制成环形而不是气泡形状来减少扭曲气泡所需的能量。此外，美国国家航空航天局 (NASA) 的一个研究小组宣布了一种名为 IXS Enterprise 的航天器概念，该航天器使用 Alcubierre 驱动器，并且已发表的研究表明，曲速气泡首先是不可能的。各种研究和讨论仍在进行中。

超光速粒子“快子”是否存在

另一种被研究了很长时间的能够以符合相对论的方式超过光速的粒子是一种称为快子的粒子，它可以以超光速行进。

快子是一种被认为是上述奇异物质之一的粒子，据说它总是以超过光速的速度运动，并且与正常物质相反，它损失的能量越多，加速得越多。

快子的概念由物理学家阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld，1868-1951）于1904年提出，随后美国物理学家杰拉尔德·范伯格（Gerald Feinberg，1933-1992）等人进行了研究。顺便说一句，范伯格将这种粒子命名为快子。

快子的存在仅在理论上是可以想象的，目前还没有实际观测到的例子。 2011年9月，国际联合实验“OPERA”的科学家团队在欧洲核子研究中心进行的实验中宣布，“发现基本粒子‘中微子’比光快60纳秒”，引起科学界极大震动，人们疑惑“我们是否发现了快子？”但次年6月，人们发现这个错误是由于实验设备的错误造成的。我记得我感到如释重负和失望。

科学家们强烈认为像快子这样的粒子不存在，或者即使存在，也不可能发现它们。尽管如此，检测和观察的挑战仍然存在。

科学家相信，如果他们能够观察快子，他们就可以使用切伦科夫辐射。切伦科夫辐射是一种现象，其中“当带电粒子在物质内移动时，当其移动速度超过该物质中的光速时，就会发出光（切伦科夫光）。”

岐阜县前神冈矿山建造的“神冈”和“超级神冈”等中微子观测装置因使用这种机制而闻名。 1987年2月23日，在岐阜县旧神冈矿山建造的名为“Kamiokande”的观测装置历史上首次观测到超新星爆炸产生的中微子。由于这一成就，日本物理学家小芝正俊荣获 2002 年诺贝尔物理学奖。

[图8]超级神冈
照片提供：东京大学宇宙射线研究所神冈粒子研究设施

这个神冈探测器首先将水储存在水箱中，然后等待中微子到来。当传入的中微子与水（氧和氢）原子核和电子碰撞时，带电粒子被喷射出来。如上所述，光在水中的速度约为真空中30万公里/秒的75%，因此如果这种带电粒子的运动速度比水中的速度快，就会产生切伦科夫光。通过检测该光来观察中微子。

用同样的方法观察快子。如果有一个粒子在真空中运动速度超过光速，即超过约300,000公里/秒，并且它带有电荷，则可能在真空中产生切伦科夫光。如果这一点能够得到证实，就证明了运动速度超过光速的粒子，即快子的存在。

如果像快子这样的材料存在，信息就可以瞬间远距离发送。此外，如果超光速子可以携带宇宙飞船或人类，那么就有可能进行扭曲，或者可以做类似《星际迷航》中的隐形传输装置的事情，其中​​宇宙飞船或人类可以分解到量子水平，乘坐超光速子飞行，并在目的地重新物质化。

快子的存在为科学打开了另一扇迷人的大门。以超光速传输信息和材料的能力实际上与时间机器的实现直接相关。

作家

鸟岛慎也（鸟岛慎也）

太空发展评论家。太空作家俱乐部成员。

他对国内外太空发展进行研究，并撰写新闻文章和散文。报纸、电视、广播中也有很多评论。他的主要著作包括《Elon Musk》（合着，由 Yosensha 出版），他还为期刊和其他出版物撰写文章。

网站：http://kosmogradinfo/

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