愛因斯坦的狹義相對論告訴我們,光速是宇宙中物質速度的上限,質能轉換方程也清晰的顯示出,沒有什麼帶品質的物體其速度可以達到或者超過光速。這也造就了光速成為宇宙速度的霸主。但是,光速其實是可以被超越的。
眾所周知,光速大約是每秒30萬公里。但是我們可能並沒有注意到,科學家在定義這個速度的時候有一個前提,那就是在真空中傳播的速度。如果說光在任何環境下的速度,那麼這個速度並不是不可超越的,真正不能超越的是光在真空中的速度。
光速被超越的情況
事實上,在一些介質中,光的速度是沒有真空光速快的。這時如果某些物體(或粒子)的速度大於介質光速,就會發出電磁輻射,我們將它稱為切倫科夫射線。例如,光在水中的速度僅有真空光速的0.75倍,這也是我們為何能在核反應堆周圍看見藍光的原因。
由於光在重水裡的速度偏小,被粒子加速器加速的帶電粒子在水中傳播的速度就會超過光速,因此會發出藍色輝光的切倫科夫射線。
這種現象的原理就和“音爆”現象類似,當飛機的速度超過空氣中的聲速時,就會受到空氣塊的壓迫,我們將其稱為音障。飛機突破音障之時就會產生巨大的爆破聲。而當帶電粒子在水中的速度超過光速時,就會以藍色輝光的形式將能量釋放,產生“超光速”。
真空能夠實現超光速嗎
剛才我們也講到,介質中的光速是可以被超越的,那真空中是否可行。這裡我們就要定義一下什麼才能被稱的上超光速。其實宇宙中超光速並不是不可以,宇宙本身膨脹的速度就是超光速的。量子力學中的量子糾纏從理論上來講也可以算的上資訊的超光速傳遞。
既然這麼多現象都是超光速的,為何光速還是被認為是速度的上限。這裡我們不得不提到另一個前提條件,那就是品質。另外相對論也有自己的侷限,並不能完全的解釋快子,更不能解釋普通物質在時空中的超光速的現象。在狹義相對論中,快子有品質也有資訊,然而它的速度確是不能低於光速的。
不過,快子是否存在本身在物理學界就存在爭議,而超光速也只是在數學上成立的假設,至於觀測到的宇宙超光速更是無從解釋。
光速被超越時光會倒流嗎?
速度本質上其實是一個物體在單位時間內空間位置的轉移。愛因斯坦也曾提出,要保持光速不變,一個物體如果要保持速度,就得在空間和時間上做出調整。速度是相對的,而光速的不變則意味著它是絕對的。
如果一輛汽車以光速在向前運動,根據“多普勒頻移”現象,光的波長就會縮短,我們所看到的汽車長度也會變短。這時的時間也會變得極其緩慢,彷彿就像靜止一樣。當時間超過光速,那麼時間就有可能發生倒流。
當然,這一切都是建立在相對論的理論基礎之上,對於它的驗證還有很長的路要走。不過,如果有一天超光速真的讓時光倒流了,你會願意嗎?