百科名片
應該說在本世紀五、六十年代之前,就人們所認識的限度而言,愛因斯坦的觀點應該是正確的:超光速是不可能的。可在七十年代前後,射電天文學家卻發現,宇宙中有4個緻密的河外類星體射電源。河外射電星體有時會拋出一、兩對射電星雲——射電子源,這似乎是一次猛烈爆炸引起的,它們彼此高速分離,其中大約有半數出現超光速運動,甚至達到光速的5倍至10倍。這些難以解釋的現象有些使科學家們膽怯,生怕被不精確的測量所愚弄。可美國和西德的一些科學家經過十多年的認真觀測,積累了足夠多的數據,令人信服地證實他們的觀測是真實的。這就是說,超光速粒子在茫茫宇宙中是客觀存在的。面對這種出乎意料的結果,眾說紛紜,各種猜測,假說應運而生。1967年,美國哥倫比亞大學范伯格提出一種假設,即認為,在宇宙空間中存在另一個由速度超過光速的粒子(稱之為“快子”)組成的宇宙,在由這種由“快子”組成的宇宙空間中,一個能量為零的粒子是以無窮大速度運動的,而且若它們獲得的能量越多,反而運動速度越慢,直到獲得無窮大能量後,速度才減慢到光速。這正好與我們這個宇宙中的情況相反:在我們這個宇宙中,一個靜止物質能量最小,當它獲得能量後,就開始運動,而且獲得能量越多,運動速度就越快,直到獲得無窮大的能量後,物體速度也達到極限,即光速。
在快宇宙中(由“快子”組成的宇宙),任何情況下,一個超光速粒子不可能比光速運動得慢,而在我們的慢宇宙中,任何情況下,一個物體不可能比光速運動得快,由此可見,光速正是兩個宇宙的分水嶺。
如果一個“快子”在真空中運行,則它經過時必須要留下一道可以探測的光跡,但目前實驗室里還從來沒有發現過“快子”,而且根據狹義相對論中相關數學證明不存在超光子或快子。
超光速之謎是令人神往的
愛因斯坦時代
在1922年就光速不變原理寫道:“相對論常遭指責,說它未加論證就把光的傳播放在中心理論的地位,以光的傳播定律作為時間概念的基礎。然而情形大致如下:為丁賦予時間概念以物理意義,需要某種能建立不同地點之間的關係的過程。為這樣的時間定義,究竟選擇哪一種過程是無關重要的。可是為了理論只選用那種已有某些肯定解的過程是有好處的。由於麥克斯韋與洛倫茲的研究之賜,和任何其他考慮的過程相比,我們對於光在真空中的傳播是了解得更清楚的。”事隔60餘年,這種狀況並沒有得到改變。在愛因斯坦提出光速不變原理時,已有的實驗只是說明在閉合迴路中平均光速的不變性,而不是光速不變原理本身。能不能找到更為基本的對鍾手段,或者通過其他途徑,來檢驗光速不變所包含的假定,是有待於科學實驗進一步發展來解答的基本問題。因為光速不變原理是現代物理學的柱石之一,解決這個問題難度較大,影響深遠,結果到底如何,人們將拭目以待。
20世紀60年代以來
有人提出了超光速粒子的新課題,他們稱這種粒子為“快子”。超光速理論工作一般從狹義相對論出發,將其推廣,求得既適合於慢子(低於光速的粒子)和光子,又適合於快子的相對論理論。但值得注意的是,沒有任何一種超光子或快子理論得到了實驗證明。現在就有一種解釋超光速現象的理論,也適合慢光速,而且在牛頓理論框架內:
如果一個鍾,以0.5倍聲速從原點遠去,我們會聽到什麼現象呢?
一秒鐘時,它距離原點0.5聲秒距離報1秒,但這個事件我們在原點聽見,需要再過0.5秒,於是我們發現,在本地鍾1.5秒時,遠處的鐘報1秒,本地鍾3秒時,遠離的鐘報2秒,也就是我們在忽略測量時間時,誤以為遠去的鐘慢了。而且速度越快,鐘慢得越厲害。
這個現象,是否有普遍意義呢?
當聲波的介質相對於測量者靜止時,無論聲源速度如何變化,聲速不變(只改變音頻),這是著名的都卜勒實驗,其它所有機械波也有類似現象。而對於光速,相對論更是假設了對於任何參照系,光在真空中速度不變!因此,這個現象具有普遍意義,發生在以任何波作測量工具的時候。
舉例來說,運動的火車頭髮出的聲音,相對地面還是聲速(聲速不變),不是火車速度加聲速,而相對火車速度是聲速減火車速度(速度疊加);而在超音速飛機內部從機尾向機頭髮出聲音,相對飛機,還是聲速(聲速不變,伽利略相對性),而相對地面,是飛機速度加聲速(速度疊加)。因此速度是相對的,相對論變換、伽利略變換速度疊加並存,而不是排斥。
補充說明
愛因斯坦有時候明白相對論是由於光速太慢,引起的測量問題。如果測量速度無窮大,則同時性的相對性問題不存在。對一群盲人來說,測量速度的上限是聲速,則愛因斯坦奉獻給他們的偉大理論將是聲速相對論,但不能因此得出聲速最快。超光子是一種運動速度高於光的形態。
相關理論
推廣到普遍的遠離情況
理想點以a倍光速遠去,1秒鐘遠離a*C(光速)距離,在計時起位置要a秒傳過來,到達a*C的事件將在a+1秒傳到觀察者,觀察者認為速度為a*C/(1+a),速度永遠小於光速。a為1時看到以1/2C遠離。當a遠小於1時,a*C/(1+a)可近似為a*C,也就是實際速度,當a接近於無窮大時,a*C/(1+a)可近似為C,也就是遠離速度遠小於測量速度時,測量速度可忽略不記,測量結果約等於真實速度;當遠離速度遠大於測量速度,測量結果約等於測量速度,也就是測量不到超過測量速度的遠離情況。
再來看一下遠離的尺
假設有一把尺長1聲秒,而我們的測量地面上有一無限長尺子固定不動,運動尺頭尾各有一個探測裝置,在探測到與地面某一尺刻度重合時,用聲音報出該刻度,我們在地面尺原點接收聲音。尺勻速運動逐漸遠離,當尺尾報0聲秒時,尺頭已經距離我們1聲秒,而這個距離,要1秒後我們才能收到;當尺尾到1聲秒距離時,尺頭到2聲秒,還是要在我們收到尺尾報1聲秒後1秒,我們才能收到尺頭報2聲秒,於是我們會直觀的認為,尺尾先到刻度,尺頭後到達它本應立刻到達的刻度,感覺好象遠離的尺,縮短了。而且運動速度越快,感覺短的越厲害。相關現象
超聲速時間倒流現象
超過聲速我們將追上鍾以前發出的聲音,也就是先聽到鐘敲3下,報3點,再聽到鐘敲2下,報2點,然後聽到鐘敲1下,報1點,這就是超過聲速時間倒流現象!靠近情況:
理想點以0.5倍聲速靠近,在距離2聲秒時作為記時0點,我們聽到2秒時,遠處的鐘報距離2聲秒,2.5秒時聽到鍾報距離是1.5聲秒,3秒時,鍾報距離是1聲秒,3.5秒時,鍾報距離是0.5聲秒,4秒,我們與運動的鐘相遇,報距離0聲秒。
靠近的鐘測量現象變快。
鐘慢尺縮現象
普遍的規律是以a倍測量速度靠近的理想點,測量速度顯示為a/(1-a)。當運動速度遠小於測量速度,測量速度可忽略,測量結果約等於真實速度;當運動速度大於0.5倍測量速度,小於1倍測量速度,將測量到超過測量速度的運動現象;當運動速度等於測量速度,物體將和它的歷史信號同時到達,我們將無法區分哪個是歷史,哪個是現時,也就無法測量;當運動速度大於測量速度,我們將先收到現時信號,後收到歷史信號,會感覺物體在向遠方退去,這就是負號的含義,當速度無窮大,近似以測量速度遠去。同理,靠近的尺測量結果也是越來越長。這才是鐘慢尺縮現象的物理原理。
都相對介質運動的情況
當A物體以a倍測量速度離開介質原點,B物體以b倍測量速度離開介質原點,從B物體測量結果,A是以(a+b)/(1+a)速度運動的(如果不承認光傳播需要介質,這個結果有待實驗證實)。條件是b小於等於1,如果b=1,測量結果將不能追上測量者。分析幾個關鍵點:b=0,相當於B靜止A遠離;a=0,相當於a獨自運動,並測量;a遠小於1,近似實際速度a+b,a趨於無窮大,接近測量速度;由於b小於1,所以a+b小於1+a,測量結果,永遠小於測量速度。
鐘慢、尺縮、超光速時間倒流現象,都可以用聲音試驗做出效果。
愛因斯坦自己的理解,速度無窮大,“絕對同時”有意義,但觀測速度上限是光速,因此“絕對同時”無意義。