愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論(Special Theory of Relativity)中，質(zhì)量與能量長(zhǎng)期不變的結(jié)合在一起，形成一個(gè)簡(jiǎn)單的基本方程式E=mc2，這個(gè)小小的等式預(yù)測(cè)了，沒(méi)有任何有質(zhì)量的東西在移動(dòng)時(shí)，速度可以和光速一樣，或者超越光速。
人類(lèi)最近一次能夠達(dá)到光速，是在強(qiáng)力的粒子加速器當(dāng)中，如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(e Large Hadron Collider)和兆電子伏特加速器(Tevatron)。
這些龐大的機(jī)器促使次原子粒子加速達(dá)到99.99%的光速，然而就如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主大衛(wèi)·葛羅斯(David Gross)的闡釋?zhuān)@些粒子永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到宇宙的速限。
如果要能達(dá)到的話，在過(guò)程中需要無(wú)限大的能量，因此這個(gè)物體的質(zhì)量也會(huì)變得無(wú)限大，而這是不可能的。(光的粒子稱(chēng)作光子，而它之所以能以光速移動(dòng)，乃是因?yàn)樗鼪](méi)有質(zhì)量。)
自愛(ài)因斯坦以來(lái)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)有些存在可以達(dá)到超光速(意指比光速還快)，并且仍遵循狹義相對(duì)論中所主張的宇宙常規(guī)。雖然這些存在無(wú)法反駁愛(ài)因斯坦的理論，但卻讓我們對(duì)光及量子界的奇特行為能有洞察了解的機(jī)會(huì)。
與光相媲美的音爆
當(dāng)物體移動(dòng)速度要比聲速快時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生音爆。因此，理論中如果有東西移動(dòng)的速度要比光速快，則它可能可以產(chǎn)生某種像“光爆”的東西。
事實(shí)上，這樣的光爆每天都會(huì)出現(xiàn)在世界各地的設(shè)備當(dāng)中，透過(guò)自己的眼睛，你就可以看到，它就叫做契忍可夫輻射(Cherenkov radiation)，以藍(lán)輝光在核反應(yīng)爐中出現(xiàn)，就像右邊圖片，愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Idaho National Laboratory)中先進(jìn)測(cè)試反應(yīng)器(Advanced Test Reactor)所呈現(xiàn)出來(lái)的顏色一樣。
契忍可夫輻射是以蘇聯(lián)科學(xué)家Pavel Alekseyevich Cherenkov之名作為命名，在1934年他成為第一位測(cè)量到此光的人，并以此發(fā)現(xiàn)在1958年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
契忍可夫輻射之所以發(fā)出白熱光，是因?yàn)樵谙冗M(jìn)測(cè)試反應(yīng)器的中心部位必須保冷，因而里面充滿了水，又在水中，光速僅能達(dá)到它在外太空真空狀態(tài)下的75%，但此刻在核心中由內(nèi)部輻射所創(chuàng)造出來(lái)的電子，在水中移動(dòng)的速度卻是比光要來(lái)得快。
就像這些光子一樣，粒子在水中的速度要比光速還快，或者它們?cè)谄渌袷遣ＡУ拿浇槲镏校部梢援a(chǎn)生類(lèi)似音爆的震波。
例如，當(dāng)火箭穿越空氣時(shí)，會(huì)在前端引起壓力波，而此壓力波將以聲速離開(kāi)火箭，當(dāng)火箭越靠近音障之時(shí)，壓力波自物體軌道離開(kāi)的時(shí)間就越少。一旦火箭速度趕上聲速時(shí)，形成一串的波就會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，而在那之前則會(huì)形成響亮的音爆。
同樣的，當(dāng)電子在水中穿越的速度要比光在水中的速度快時(shí)，電子就會(huì)引發(fā)光的震波，所以有時(shí)不僅會(huì)出現(xiàn)藍(lán)光，也會(huì)出現(xiàn)紫外線光。
當(dāng)這些粒子在水中的速度要比光快時(shí)，它們并沒(méi)有破壞宇宙中每小時(shí)670,616,629英里的速限。
當(dāng)規(guī)則不適用時(shí)
記得在愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論中有陳述，沒(méi)有任何有質(zhì)量的東西能夠比光速還快，而直到物理學(xué)家們能夠斷定為止，宇宙的確是遵循那個(gè)規(guī)則。但若是沒(méi)有質(zhì)量的東西會(huì)如何呢？
就光子的本質(zhì)來(lái)說(shuō)，它們是無(wú)法超越光速的，但是光的粒子并非全宇宙中唯一沒(méi)有質(zhì)量的存在?？此瓶諢o(wú)一物的空間當(dāng)中，其實(shí)蘊(yùn)含了無(wú)形的物質(zhì)，因此就定義而言，空也是沒(méi)有質(zhì)量的。
理論天體物理學(xué)家Michio Kaku在Big Think中曾說(shuō)：“既然沒(méi)有任何東西只是單純空無(wú)一物的空間或處于真空狀態(tài)，又沒(méi)有任何有形的物體可以打破光速界限，那么空應(yīng)該就可以擴(kuò)展到比光速還快。因此，空間一定可以擴(kuò)展到比光還快?！?/p>
物理學(xué)家們認(rèn)為宇宙大爆炸之后即刻發(fā)生的狀況就是如此，而這個(gè)時(shí)期稱(chēng)為大爆脹，在1980年代由物理學(xué)家阿蘭·古斯(Alan Guth)及安德烈·林德(Andrei Linde)首度提出這樣的假設(shè)。在百萬(wàn)分之一秒的百萬(wàn)分之一的時(shí)間之內(nèi)，宇宙再三的雙倍擴(kuò)張，因此宇宙的外緣得以快速擴(kuò)展，而速度甚至比光速還快。
量子糾纏辦到了
量子糾纏聽(tīng)起來(lái)復(fù)雜又嚇人，但是就最初的糾纏而言，只是次原子粒子彼此互相溝通交流而已。
Kaku在Big Think解釋道：“根據(jù)量子理論來(lái)說(shuō)，如果我有兩顆電子靠得很近，它們可以和諧的一起震動(dòng)?！爆F(xiàn)在，即使把那兩顆電子分開(kāi)至距離有幾百光年甚至幾千光年之遠(yuǎn)，它們之間即時(shí)通訊的橋梁依然可以保持暢通。
Kaku寫(xiě)道：“如果我輕搖一顆電子，則另一顆電子立刻能‘感應(yīng)’到這個(gè)震動(dòng)，這樣的通訊比光速還快。雖然沒(méi)有任何東西可以超越光速，但愛(ài)因斯坦想到了這點(diǎn)，因而反駁了量子理論?！?/p>
事實(shí)上，1935年時(shí)，愛(ài)因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基(Boris Podolsky)及納森·羅森(Nathan Rosen)試圖進(jìn)行一場(chǎng)有如愛(ài)因斯坦提出的“鬼魅般行動(dòng)的超距作用”之思想實(shí)驗(yàn)，并藉此反駁量子理論。
然而諷刺的是他們的報(bào)告為現(xiàn)今稱(chēng)之為愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論(Einstein-Podolsky-Rosen paradox；EPR)奠定了基礎(chǔ)。此悖論主要在描述量子糾纏的即時(shí)通訊，而此對(duì)于世界上一些最尖端科技，如量子密碼學(xué)而言，是不可或缺的重要部分。
蟲(chóng)洞的夢(mèng)想
既然沒(méi)有任何有質(zhì)量的東西可以超越光速，那么你可以和星際旅行說(shuō)再見(jiàn)了，至少，就傳統(tǒng)概念里的太空飛船及飛行是這樣沒(méi)錯(cuò)。
但是愛(ài)因斯坦雖然以狹義相對(duì)論摧毀了我們深入太空進(jìn)行道路旅行的夢(mèng)想，可他卻在1915年用廣義相對(duì)論(General Theory of Relativity)給了我們前往星際旅游的希望。
雖然狹義相對(duì)論主要是在于質(zhì)量與能量的結(jié)合，但廣義相對(duì)論則是將空間與時(shí)間編織在一起。
Kaku寫(xiě)道：“要打破光速界限唯一可行的方法，也許透過(guò)廣義相對(duì)論以及空間時(shí)間的扭曲可以達(dá)成?！倍@里所指的扭曲，就是我們俗稱(chēng)“蟲(chóng)洞”，就理論而言，透過(guò)蟲(chóng)洞可以讓某些東西在最即刻的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模距離的旅行，因此基本上，它可以讓我們打破宇宙速限，在非常短暫的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)距離的旅行。
理論物理學(xué)家基普·索恩(Kip Thorne)，也就是電影《星際效應(yīng)》的科學(xué)顧問(wèn)及執(zhí)行制作，他曾在1988年時(shí)，運(yùn)用愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的等式預(yù)測(cè)，蟲(chóng)洞永遠(yuǎn)為太空旅行而打開(kāi)的可能性。
但是為了要能能穿越，蟲(chóng)洞中需要一些不可思議，奇特的物質(zhì)讓它們保持敞開(kāi)。
索恩在他的《星際效應(yīng)：電影幕后的科學(xué)事實(shí)、推測(cè)與想像》(The Science of Interstellar)一書(shū)中提到：“感謝量子物理定律帶來(lái)的不可思議，如今奇特的物質(zhì)可存在于黑洞中，真是令人感到驚奇！”
而這個(gè)奇特的物質(zhì)在我們地表的實(shí)驗(yàn)室中就可以制造出來(lái)，只是數(shù)量非常的少。當(dāng)索恩在1988年提出這個(gè)穩(wěn)定的蟲(chóng)洞理論時(shí)，他號(hào)召物理學(xué)界協(xié)助他判定，宇宙中是否存有足夠的奇特物質(zhì)，能夠支持蟲(chóng)洞的這個(gè)可能性。
索恩寫(xiě)道：“這件事引發(fā)許多的物理學(xué)家開(kāi)始進(jìn)行很多的研究，然而到了現(xiàn)在，已將近30年了，這個(gè)答案仍是未知數(shù)?！本同F(xiàn)在而言，看起來(lái)不樂(lè)觀，他總結(jié)的說(shuō)：“但我們距離最后的答案，還很遠(yuǎn)呢?！?/p>
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