對於這一類看似荒誕卻又充滿奇思妙想的問題,我往往會非常感興趣,也願意從科學源頭去耐心的解釋和科普。之所以這麼做的原因,是因為我深深記得那句話:
當第一隻猴子開始仰望星空時,人類從此誕生。
而我,願意做那隻“猴子”,也希望透過我的努力,去帶動更多的讀者去當那隻仰望星空的“猴子”。
言歸正傳,下面開始回答這個問題。
顧名思義,超光速是指一種速度超過光速的概念。超光速的通訊和旅行也就是對資訊或物質傳播速度超過光速的推測。
在狹義相對論理論中,認為只有靜止質量為零的粒子才能以光速運動。速度超過光速的粒子運動雖然已經被假設,但它們的存在將違反因果關係,因此,物理學家一致認為,這樣的超光速粒子和概念無法存在。
圖 超光速旅行概念圖
儘管超光速這一概念在理論上無法立足,但是仍然有科學家試圖從實驗上去證實它的存在。這其中最著名的就是OPERA實驗(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)。
OPERA實驗是一種用於探測介子中微子振盪的科學實驗儀器。這項實驗是瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心和義大利格蘭薩索的實驗室(LNGS)合作進行的,他們利用歐洲核子研究中心的中微子來產生格蘭薩索(CNGS)中微子束。
在初始結果中,OPERA實驗團隊得到了速度超過光速的中微子,各個階段的測量速度結果見下表。
圖 OPERA實驗團隊測到了速度超過光速的中微子,實驗結果彙總如上
然而,在其他國家多個實驗團隊的證實下,得出結論:
OPERA實驗團隊所測量的超光速中微子現象來源於上位機光纖纜線的傳播時間誤差,且這一誤差與OPERA實驗團隊測量的超光速數值一致,直接證實OPERA實驗團隊的超光速中微子現象不成立,OPERA實驗團隊負責人也因此自動請辭。
這是人類史上對於超光速現象探索程序中濃墨重彩的一筆,這次實驗直接證實了超光速這一現象的不僅在理論上無法證實,在實驗中更不可能存在。
然而,儘管這次實驗失敗了,但卻顯示出科學家對於未知領域不懈探索的決心:
在未來的道路上,苦苦求索,在人類的歷史裡,仰望星空。
除此之外,不確定性原理意味著單個光子在短距離內的傳播速度可能比光速稍快(或稍慢)。然而,2011年的研究表明,單個光子的速度可能不會超過光速【1】。在量子力學中,虛粒子可能比光傳播得更快,而這一現象與靜態場效應(由量子中的虛粒子介導)可能比光傳播得更快有關。然而,從宏觀上看,這些波動是平均的,因此光子在很長一段時間內是以直線傳播的,而非量子的距離,它們的平均速度是光速。因此,這並不意味著超光速資訊傳輸的可能性。
圖 宇宙的歷史——引力波被假設是由宇宙膨脹引起的,宇宙膨脹是大爆炸後比光速還快的膨脹
超光速現象作為一種假說,無論從理論還是實驗上都無法遵循因果關係,更加站不穩跟腳,更別說其的存在了。然而,人類的探索從未停止,正如我前文所說:
共勉!
參考文獻
【1】Optical Precursor of a Single Photon,2011
對於這一類看似荒誕卻又充滿奇思妙想的問題,我往往會非常感興趣,也願意從科學源頭去耐心的解釋和科普。之所以這麼做的原因,是因為我深深記得那句話:
當第一隻猴子開始仰望星空時,人類從此誕生。
而我,願意做那隻“猴子”,也希望透過我的努力,去帶動更多的讀者去當那隻仰望星空的“猴子”。
言歸正傳,下面開始回答這個問題。
超光速的概念顧名思義,超光速是指一種速度超過光速的概念。超光速的通訊和旅行也就是對資訊或物質傳播速度超過光速的推測。
在狹義相對論理論中,認為只有靜止質量為零的粒子才能以光速運動。速度超過光速的粒子運動雖然已經被假設,但它們的存在將違反因果關係,因此,物理學家一致認為,這樣的超光速粒子和概念無法存在。
圖 超光速旅行概念圖
超光速實驗的“真”與“假”儘管超光速這一概念在理論上無法立足,但是仍然有科學家試圖從實驗上去證實它的存在。這其中最著名的就是OPERA實驗(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)。
OPERA實驗是一種用於探測介子中微子振盪的科學實驗儀器。這項實驗是瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心和義大利格蘭薩索的實驗室(LNGS)合作進行的,他們利用歐洲核子研究中心的中微子來產生格蘭薩索(CNGS)中微子束。
在初始結果中,OPERA實驗團隊得到了速度超過光速的中微子,各個階段的測量速度結果見下表。
圖 OPERA實驗團隊測到了速度超過光速的中微子,實驗結果彙總如上
然而,在其他國家多個實驗團隊的證實下,得出結論:
OPERA實驗團隊所測量的超光速中微子現象來源於上位機光纖纜線的傳播時間誤差,且這一誤差與OPERA實驗團隊測量的超光速數值一致,直接證實OPERA實驗團隊的超光速中微子現象不成立,OPERA實驗團隊負責人也因此自動請辭。
這是人類史上對於超光速現象探索程序中濃墨重彩的一筆,這次實驗直接證實了超光速這一現象的不僅在理論上無法證實,在實驗中更不可能存在。
然而,儘管這次實驗失敗了,但卻顯示出科學家對於未知領域不懈探索的決心:
在未來的道路上,苦苦求索,在人類的歷史裡,仰望星空。
除此之外,不確定性原理意味著單個光子在短距離內的傳播速度可能比光速稍快(或稍慢)。然而,2011年的研究表明,單個光子的速度可能不會超過光速【1】。在量子力學中,虛粒子可能比光傳播得更快,而這一現象與靜態場效應(由量子中的虛粒子介導)可能比光傳播得更快有關。然而,從宏觀上看,這些波動是平均的,因此光子在很長一段時間內是以直線傳播的,而非量子的距離,它們的平均速度是光速。因此,這並不意味著超光速資訊傳輸的可能性。
圖 宇宙的歷史——引力波被假設是由宇宙膨脹引起的,宇宙膨脹是大爆炸後比光速還快的膨脹
結論超光速現象作為一種假說,無論從理論還是實驗上都無法遵循因果關係,更加站不穩跟腳,更別說其的存在了。然而,人類的探索從未停止,正如我前文所說:
當第一隻猴子開始仰望星空時,人類從此誕生。
共勉!
參考文獻
【1】Optical Precursor of a Single Photon,2011