Monday, October 5, 2009

推翻相對論?

所有教科書都表示,沒有任何物體的行進速度能夠超越光線在真空中的行進速度。如今看來,教科書可能錯了。

「自然」雜誌二十日發表的一項實驗報告發現一個例外的現象,顯示光脈衝的速度顯然能夠突破每秒鐘三十萬公里的終極光速。光脈衝可以打破常識法則,還沒進入屋內就走出屋外。但此一現象仍不足以推翻愛因斯坦的相對論。

大部分都覺得大惑不解,新澤西州普林斯頓日本電氣公司 (NEC) 研究所主持此一實驗的物理學家王力軍表示,他的許多同事仍對光的本質以及上述最新發現感到迷惑。物理學者紛紛探討這一新發現。王力軍表示:「有許多問題尚待解答。」

將近一世紀以來,物理學家一直相信,任何物體在真空中的移動速度如果比光速快,就違反了愛因斯坦相對論的基本概念。物理學家認為,由於速度與時間有相對關係,超過光速就如同偷偷走進未來,這將推翻人們深信不疑,所謂「先有因,才有果」的因果律。

如今這些假設可能需要重新檢驗。

首先提出光脈衝可能比光速快說法的柏克萊加州大學華裔物理學教授喬瑞宇說:「人們說,任何東西的速度不能超過光速,這話說得太絕對。」

物理學家在一個問題上很明確,即新實驗實際上與愛因斯坦理論並不矛盾。超快光脈衝是有可能的,而且可以解釋,因為光不像一般物質,沒有靜止質量,既可以看成一系列的粒子,也可以看成一種波。

王力軍說:「愛因斯坦的相對論依然站得住腳。」專研量子光學的喬瑞宇表示,新的實驗並不意味尋常物體可以在時光隧道中進出自如。他說:「你不可能殺害古人,門兒都沒有。」

拜上述實驗之賜,有些想像力豐富的人即開始預想未來穿越時空旅行的可能性,但科學家表示,這些想法目前仍如癡人說夢。不過這些實驗的確為有朝一日資訊在電腦系統與網路間傳送的速度超越目前速度提供了希望。目前因為電子效應,資訊在電腦電路間傳送的速度仍比光速慢。

大部分物理學家都同意,由光脈衝傳達資訊,仍有其速度限制。史坦伯格說:「遺憾的是,能量與資訊都仍無法打破任何的速度限制。」

但光脈衝顯然可以。光脈衝其實就是不同頻率的波的集合。脈衝就如同海洋中的波浪,有其高峰,但也有其前緣,可以超越波浪。

穿越物理學家在實驗室製造的物質,光的行動可能很奇怪。哈佛大學和柏克萊加大的物理學家去年證明,他們可以將光速減慢,慢到與奧運會選手的速度相仿。至於將光加速到超越原來的光速,這種實驗就要困難得多。

以這項實驗為例,實驗者先使用一種非常聰明,卻相當人工化的裝備─一個充滿銫蒸氣,二點四吋大的玻璃管。實驗者用兩個雷射脈衝射擊玻璃管,將蒸氣中的每個銫原子提升到特定的能量標準。再用另外一個調得精準的雷射脈衝吸光過剩的能量,以超光速射出玻璃管之外。

根據王力軍和其他幾位物理學家的說法,光所以有這種反應,是因為當第三個雷射脈衝的前緣開始進入玻璃管之際,它攜帶了重建整個光波所需要的一切資訊,讓管內的銫原子得以在進入的脈衝完全接觸到它們之前,吐出光線。

結果,脈衝穿越玻璃管所需要的時間只有通常光線穿越與玻璃管等長的真空所需時間的百分之三而已。穿越所需的時間短得令人無法置信─只需五十億分之一秒。

上述實驗是王力軍和幾位日本電氣公司的物理學家所做的。這是最近一系列的光學研究實驗之一。這系列的實驗旨在證明,只要穿越特殊物質,光脈衝即可能超越光速。曾在一九九三年進行類似實驗的史坦伯格說,從目前的實驗所得到的資料非常好,非常明確,效果驚人。

發現超光速? 王力軍澄清

「推翻愛因斯坦理論」這樣驚人的標題,掛在任何一個科學家的研究上頭,要不是個光環,就是重擔,新澤西州 NEC 研究所研究員王力軍(前譯王利軍)還沒正式發表的光學實驗,最近被華、洋媒體以訛傳訛的報導,就讓他飽嘗到「成名」的苦惱。

王力军关于反常色散和超光速传播的实验入选2000年全球物理学10大新闻,受邀于2003年就任德国马普学会(Max-Planck Society)的光学信息及光子学研究所所长。

領先報導王力軍及同事實驗的是五月卅日的「紐約時報」科學專刊。報導中「比光速提前三百倍到達」的聳動描述,讓王力軍的實驗在被轉述、轉載之下,越來越離譜;最近王力軍看到中文報章的文字時,簡直已經成了科幻小說的材料,連「時間飛行器」都跑出來了。

在王力軍投稿給「自然」雜誌的實驗過程提前曝光之時,英國也正在召開一項檢驗愛因斯坦理論的研討會,於是在沒 有人向他求證的情況下,他的實驗就被解釋成「推翻愛因斯坦相對論」的重要發現。王力軍被描寫成「發現超光速」的科學家。而他發現的「超光速」傳輸方式,不 但可以用來研發「沒有時間差距」的電腦運送數據科技,甚至還有可能用來打造「時間飛行器」,進而打破自然界因果規律,顛倒事物的秩序,使結果發生在原因之 前……。

王力軍看到這些報導,沒有沾沾自喜,反而渾身不自在,擔心媒體的誤導讓他在科學界成了笑話。一九九二年獲得紐約州羅徹斯特大學物理及天文學博士學位的王力軍,在加入新州 NEC前,曾在 General Atomics 擔任資深研究科學家。

王力軍說,他在實驗室裡以「光脈衝」通過一個充滿特製銫氣的密閉空間,結果觀察到物理學上較少發生的「反常色散」現象,在特製銫氣中,這束「光脈衝」的「群速度」比真空狀態時行進的速度更快,計算下來,比真空中行進的「群速度」還高出三百倍。

王力軍說,光有各種速度的定義,以上的這個實驗的簡述,一般讀者看來眼花撩亂,但光學界的人都知道,光脈衝的 「群速度」在某些介質中高出真空中光速的現象,雖然在某些教科書中還是被認為不可能,但過去曾經被證明過。目前被媒體渲染的「超光速」,在光學研究界並不 是破天荒的發現。王力軍的研究最具意義的地方是,在這束光脈衝「進去到出來」之間,其能量和脈衝形狀都幾無改變。

前兩天媒體上最離譜的報導說,王力軍的發現證明「光的訊息速度可以超過時間的速度」,「王力軍宣稱已經突破了 速度的極限……將打破愛因斯坦的相對論」,這類玄之又玄的報導推翻了因果律。另一個外行的報導連光的性質都搞錯了,王力軍說,報導誤以為「光脈衝」像一塊 石頭般擁有質量,於是誤以為他找到了讓物質「超光速」運行的祕密,進而才有「超時空時間飛行器」等離題的討論。

他說光不是由原子組成,本身沒有質量,因此這個實驗和什麼「超光速飛行」扯不上關係。且光的速度也非一成不 變,一般所謂光速是光在真空中一秒運行三十萬公里的公認定義。如果光在穿透真空、空氣等不同介質中速度會有改變,那他發現光在特製銫氣中前進速度比真空中 快,意義就不至像媒體描寫的玄奇了。


澳洲科學家發現新理論,光的速度正在改變!


這個驚人理論進一步證實後,不但將推翻愛因斯坦的相對論,而且將揭開宇宙的形成秘密。

澳洲麥奎裡大學物理學家,戴維斯教授判斷,光的速度正在逐漸減慢中。現在已知的光速,每秒鍾30萬公裡,一百億年前要快很多。但是因為人們對時間的認知有限,無法察覺。

戴維斯教授發表報告指出,宇宙誕生時的一剎那間,形成宇宙億萬年的規律,直到現在。但是大爆炸的瞬間,唯有光的速度為無限大,才能將如此浩瀚的宇宙,在極短時間內定型,安全運行無誤。

戴維斯教授有把握,未來提出實驗證明,光的速度正在改變。

科學界認為,這個驚人的理論,如果得到證實,將是人類有史來最大的發現。不但徹底改變許多理論,重新衡量時間與空間的關系,也將改變以光年測量宇宙間距離和時間的標准。愛因斯坦的相對論,質量和光速形成能量的定理,將被推翻。

然而,最新一期的《自然》雜志上刊載了王利軍等三位科學家最新的研究成果,首次證明了世界上有可能會有比光速還快的東西。這項研究由普林斯頓大學的物理學家王利軍、亞歷山大•庫茲米奇及亞瑟•道格魯共同進行,並發表在最新一期的科學期刊《自然》上。

研究人員發射出1個鐳射光波,並讓它穿過銫氣室(介質),結果發現,當這個鐳射光波的尾巴還沒完全進入銫氣室前,波的前段就已經從另一端鑽出來。研究人員 表示,鐳射光波在銫氣室前進的距離是同一時間在真空中所能穿越距離的310倍,研究人員推測,可能是銫原子改變了光的性質,所以這個鐳射光波才比真空中的 光速快。研究人員表示,至少在這種實驗室環境下,光速是可以再往前推進的。王利軍表示:“我們的研究顯示,沒有什麼東西能比光速快的觀念是錯誤的。

這項研究成果目前並沒有任何實際上的應用,但卻讓光學物理學界大為振奮,加州柏克萊分校的物理學家雷蒙•趙表示,這是一項科學大突破,以前大家都認為比光速快是不可能的,不過事實證明了沒有什麼是不可能的,要試了才知道。

在約1個世紀前,愛因斯坦提出真空中前進的光速是全宇宙最快的速度。普林斯頓大學的研究成果在未來可應用於研制超速電腦上。

光速,即光波傳播的速度[1]。真空中的光速是一個重要的物理常數,符號為c(來自英語中的constant,意為常數;或者拉丁語中的celeritas,意為迅捷),c不僅僅是可見光的傳播速度,也是所有電磁波在真空中的傳播速度。

真空中的光速等於299,792,458米/秒(1,079,252,848.8千米/小時)。[2] 這個速度並不是一個測量值,而是一個定義。它的計算值為(299792500±100)米/秒。國際單位制的基本單位米於1983年10月21日起被定義為光在1/299,792,458秒內傳播的距離。使用英制單位,光速約為186,282.397英里/秒,或者670,616,629.384英里/小時,約為1英尺/奈秒。

在任何透明或者半透明的介質(比如玻璃和水)中,光速會降低;c比光在某種介質中的速度就是這種介質的折射率。重力的改變能夠彎曲光所傳播的空間,使光像通過凸透鏡一樣發生彎曲,看上去繞過了質量較大的天體。光彎曲的現象叫做重力透鏡效應,根據變化了的光線在光譜外波段呈現的不規則程度,可以推算發光星系的年齡和距離。

根據愛因斯坦的相對論,沒有任何物體或資訊運動的速度可以超過光速。

光速的測量方法: 最早光速的準確數值是通過觀測木星對其衛星的掩食測量的。還有旋轉齒輪法、轉鏡法、克爾盒法、變頻閃光法等光速測量方法。

根據現代物理學,所有電磁波,包括可見光,在真空中的速度是常數,即是光速。強交互作用、電磁作用、弱交互作用傳播的速度都是光速,根據廣義相對論,萬有引力傳播的速度也是光速,且已於2003年得以證實。根據電磁學的定律,發放電磁波的物件的速度不會影響電磁波的速度。結合相對性原則,觀察者的參考坐標和發放光波的物件的速度不會影響被測量的光速,但會影響波長而產生紅移、藍移。這是狹義相對論的基礎。相對論探討的是光速而不是,就算光被稍微減慢,也不會影響狹義相對論。


科学家提出新理论:牺牲木星实现超光速飞行

据美国广播公司(ABC)报道,物理学家认为,超光速飞行可能在理论上是可行的,但实际情况却未必如此。美国两名物理学家认为,他们已经找到如何在不违背物理学定律情况下实现超光速飞行的途径。但坏消息是,我们可能不得不牺牲木星以体验这种超级飞行。

试图打造现实版《星际迷航》

贝勒大学物理学副教授杰拉尔德·克利文(Gerald Cleaver)及其博士后研究员理查德·奥伯塞(Richard Obousy),将物理学一些最难于捉摸的领域结合在一起——其中包括弦理论以及广义相对论——制定了一项雄心勃勃的计划,试图让《星际迷航》中展现的曲 速飞行成为现实向前迈进一步。毫无疑问,克利文和奥伯塞的梦想成为现实的可能性微乎其微。

《星际迷航》系列影片的创作者永远也无法解释,“进取”号飞船如何以超过光速的速度在宇宙中穿行。如果人类希望探索银河系的“后院”,打造超光速飞船是必须要取得的一项小小的成就,更不用说入主宇宙的遥远区域了。

唯一的问题是,艾伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)曾经指出,超光速飞行是不可能实现的。克利文在接受采访时表示:“物体拥有质量,无法以光速移动。根据爱因斯坦的著名方程式,随着移动 速度越来越快,物体的质量也会不断增加。随着移动速度接近光速,物体质量将变得无穷大。换句话说,一粒灰尘以光速飞行时将拥有无穷大的质量,此时此刻,需 要借助无穷大的能量才能让这粒灰尘以接近光速的速度移动。也就是说,我们最好将人类从“进取”号恒星飞船的乘客名单中删除。

星际航行需借助“曲速泡”

克利文和奥伯塞对1994年首先由墨西哥物理学家迈克尔·埃尔库比尔 (Michael Alcubierre)提出的一项理论进行了扩展。他们表示,光速还不算特别快。埃尔库比尔指出,我们不必考虑曲速飞行,星际航行真正需要的是打造一个 “曲速泡”。根据埃尔库比尔的理论,质量可能受限于爱因斯坦提出的计算公式,但在太空环境下未必会受到这种限制。

贝勒大学的两名研究员认为,让飞行器——例如“进取”号后方的空间膨胀同时压缩 前方的空间是可能办到的,最终形成一个能够以远远超过光速的速度穿过爱因斯坦所说的时空结构的气泡。曲速泡内部的“进取”号会随着曲速泡在太空中穿行高速 前进,而飞船本身则保持静止不动,因此避开了爱因斯坦提出的问题。克利文在加利福尼亚州(美国的冲浪中心)理工学院获得博士学位,他非常喜欢用“冲浪”来 形容这种超光速飞行。

如何打造这样一个泡泡?由于这个问题,整件事情变得复杂起来。宇宙包括一切类型 拥有质量的物体并且一直以超过光速的速度膨胀。克利文表示,自上世纪70年代以来,我们便已知道这一点。在大爆炸后的一瞬间,宇宙便在一个非常短暂的时间 内开始以超光速向外扩张。根据弦理论(在探索有关世上万物的一项可靠理论的物理学家中间非常流行),在诞生后的第一秒,宇宙的体积从一个原子的核子的 1.0 × 10-21大小膨胀成大约一个篮球。 “在此过程中,太空本身也正以超光速扩张。”

复制最初几秒的宇宙

在加州理工学院,克利文曾在传奇人物、弦理论领域领导者约翰·施瓦兹(John Schwartz)的教导下攻读学业。根据他的假设,利用正负暗能量部分复制最初几秒的宇宙是可能做到的,暗能量据信是宇宙扩张背后的驱动力。

具体做法是,将正能量置于“进取”号之后,将负能量置于前方,在两种能量共同作用下,飞船便能够以曲速飞行。克利文说:“飞船前方的空间以超光速萎缩,后方空间则以超光速膨胀,推动曲速泡以及内部的飞船,整个过程就像冲浪一样。”

如何才能做到这一点呢?虽然还不能给出准确答案,但贝勒大学的两位研究员提出的理论认为,只要拥有足够能量,便有可能改变11次元空间。11次元空间是弦理论的关键组成部分,弦理论认为维度的数量远远超过我们在地球上看到的3个。

将木星变成能量?

克利文表示,借助于足够的能量,“进取”号前后的时空维度至少可以让曲速泡踏上征程。他说:“所需要的初始能量可以与整颗木星的质量相提并论。如果能够将木星转换成能量,曲速泡便可进行发射。”

根据弦理论,为了稳定负责保持曲速泡朝数量无限多的其它宇宙前行的系统,飞船可能 需要更多能量。(其它宇宙发出的光线仍需很久才能到达地球,因此并未被我们观察到。)克利文承认,他并不希望看到这种事情发生。“根据弦理论,埃尔库比尔 效应可以成为现实,这仅仅是在理论上对埃尔库比尔效应如何成为现实进行讨论。”

值得关注的是,克利文和奥伯塞还有更多问题需要面对。对于弦理论应否被视为一项 受人尊重的科学,科学家一直存在争议。很多科学家认为,弦理论无法加以证明或者反驳,因此不能被视为一项科学。其他科学家则寄希望于未来一些造价异常昂贵 的机器,认为它们可能担负起证明或者驳斥这一理论的使命。

退一步讲,如果“进取”号飞船一直在非常稀薄的空气中航行,即使能够以接近光速的速度飞行,它也需要4年多时间才能抵达太阳系外距离我们最近的恒星,而造访旗下行星存在生命的数量众多的恒星则需要数百年之久。

我们必须意识到,《星际迷航》毕竟只是一部电影,所呈现的东西并没有必要建立在事实基础之上。除此之外,我们还要面对一个不可回避的问题,即究竟有多少木星可以让我们来牺牲?

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