第二章 二等不可思議 11.比光更快

可以確信,生命最終會遍布銀河系及其之外。因此,生命或許不會永遠都只是宇宙中的微小塵埃,儘管它現在是。事實上,我發現這是一幅相當吸引人的風景。

——皇家天文學家 馬丁·瑞斯爵士(Astronomer Royal Sir Martin Rees)

比光速移動得更快不可能,當然這樣也不可取,因為你的帽子老是會被吹掉。

——伍迪·艾倫(Woody Allen)

在《星球大戰》中,當「千年隼」號(Miltermium Fal)載著我們的主人公天行者盧克和漢·索羅(Han Solo)從荒涼的行星塔圖因(Tatooine)升空的時候,與一隊圍繞著該行星的兇惡的帝國戰列規相遇。帝國的戰列艦用激光炮向我們主人公的飛船射出了激烈的火力網,逐漸突破了它的力場。「千年隼」的火力不及對方。在這藐視一切的激光火力壓迫下,漢·索羅吼著說,他們唯一的希望是跳入「超空間」(hyperspace)里。在時間的小缺口上,超空間發動機活躍起來。他們周圍的所有星星突然朝著顯示屏的中心聚合,拉出筆直、眩目的光線。一個洞口開啟了,「千年隼」號飛了進去,到達了超空間,獲得了自由。

這是科學幻想?毫無疑問。但這有可能是基於科學事實嗎?或許。超光速旅行一直是科幻小說的主要內容之一,但近來物理學家們已經對於這一可能性給予了嚴肅的思考。

根據愛因斯坦的說法,光速是宇宙中的終極速度極限。哪怕是我們最強大的核粒子加速器——能夠製造出只有在爆炸的恆星中心或者宇宙大爆炸中才存在的能量,卻不能將亞原子粒子以超光速的速度射出。顯然,光速是宇宙中的終極交警。如果的確如此,那麼我們任何到達遠方星系的希望似乎都是虛幻的。

或者,也許不是……

1902年,在阿爾伯特·愛因斯坦尚年輕時,人們還很難想像他今後會成為繼艾薩克·牛頓之後最偉大的物理學家。事實上,那一年標誌著他人生的最低點。作為一個博士新生,他所申請的所有大學都拒絕為他提供教職(他後來發現自己的教授海因里奇·韋伯[Heinrich Weber]為他寫了非常可怕的推薦信,或許是為了報復愛因斯坦缺了他那麼多堂課)。並且,愛因斯坦的母親激烈反對他的女友米列娃·馬里奇(Mileva Marie),後者當時已經懷了他的孩子。他們的第一個女兒列瑟爾(Lieserl)將成為私生女。年輕的愛因斯坦連打零工也失敗了。就連地位低下的教小孩子的工作也在他被粗暴解僱的時候結束了。在自己情緒低落的信件中,他說考慮著當個推銷員維持生計。他甚至向家人寫道,或許他從未降生會更好些,因為他對自己的家庭是個沉重的負擔,而且在他的人生中沒有任何成功的機會。當他的父親去世時,他由於父親死時認為自己的兒子是個完全的失敗者而感到羞愧難當。

但是,在那一年的晚些時候,愛因斯坦轉了運。一位朋友安排他在瑞士專利局獲得了一份職員的工作。在那個底層職位上,愛因斯坦將帶來現代歷史上最偉大的革命。他很快地分析完自己辦公桌上的專利,隨後花上幾小時思考從兒時起就一直使他不解的物理問題。

他天才的秘密是什麼?或許他天才的線索是他的一種能力:以物理圖像(比如,行進中的火車、加速行走的鐘和拉長的織物)而非純粹數學進行思考。愛因斯坦曾經說過,如果一種理論無法做到連孩子都能懂,那麼這種理論或許就是無用的。就是說,一種理論的精髓必須能用一幅物理圖像表示。因此,許多物理學家迷失在數學的灌木叢中,哪裡也到達不了。但是,愛因斯坦就像他的前人牛頓一樣,為物理圖像所困擾,隨後又被數學所困擾,對牛頓來說,物理圖像就是落下的蘋果,還有月球。使得蘋果落下的力與引導月球位於其軌道之中的是同樣的力嗎?當牛頓判斷答案為「是」,他為宇宙創造了一座數學的建築,突然間揭示了天空中最大的秘密——天體們本身的運動。

阿爾伯特·愛因斯坦在1905年提出了著名的狹義相對論。他理論的中心是一幅連孩子都能理解的物理圖像。他的理論是一個他從16歲起便縈繞心頭的夢的結果。當時他問了一個至關重要的問題:如果超越了光速那麼會發生什麼呢?作為一個年輕人,他知道牛頓力學描述了地球和天空中物體的運動,而麥克斯韋的理論推述了光。這是物理學的兩大支柱。

愛因斯坦的最為天才之處在於,他認識到這兩大支柱是相互矛盾的,其中之一必將坍塌。

根據牛頓的理論,你總是有可能跑贏一道光線,因為光的速度沒有什麼特別之處。這意味著當你在一旁與光賽跑的時候,光線必須保持靜止。但是年輕的愛因斯坦意識到,從來沒有人見過完全靜止的光波——也就是說,如同被冷凍的波一樣。因此,牛頓的理論行不通。

最終,作為一個在蘇黎世學習麥克斯韋理論的大學生,愛因斯坦找到了答案。他發現了某些連麥克斯韋都不知道的事:光速是一個常數,無論你移動得多快。如果你向著一道光線或者以與其相反的方向急速移動,它也仍舊以同樣的速度前進,但是這一特點違背了常識。愛因斯坦找到了他童年時困惑的問題的答案:你永遠都無法與光線賽跑,因為它永遠都會以恆定的速度從你身邊移開,無論你跑得多快。

但是,牛頓力學是一個緊密結合的體系:就如拉動一根松垮的細線,要是在這套理論的假設上做最小的改動,整套理論的線團就可能瓦解。在牛頓的理論中,時間的流逝在全宇宙中都是一致的,地球上的1秒鐘與金星或火星上的1秒鐘是完全相同的。同樣,擺放在地球上的米尺也與冥王星上的米尺長度相同。但是,如果無論你的移動速度有多快,光的速度都永遠不變,那麼我們對空間與時間的認識就必須有徹底的改變,時間與空間必須進行深層次的扭曲,以保護光速的恆定不變。

根據愛因斯坦的理論,如果你處於一艘快速行進的火箭宇宙飛船內部,火箭內部時間的流逝與地球上相比將會放慢。根據你移動的速度,時針以不同的頻率跳動。此外,這艘火箭宇宙飛船內部的空間會被壓縮,因此根據速度,米尺的長度會發生變化。而且火箭的質量同樣會增加。如果我們用里遠鏡仔細觀看火箭內部,我們會發現火箭里的時鐘跑得慢了,人們用慢動作移動,而且人們看起來顯得扁平。

其實,如果火箭是以光速移動的,火箭內部的時間看來會停止,火箭將會被壓縮到無物,並且其質量將會無窮大,由於這些觀察結論全都不合常理,愛因斯坦宣布,沒有什麼能夠打破光障(因為物體移動速度越快就變得越重,這意味著能量運動被轉化為了質量。轉化為質量的確切能量總額很容易計算,我們只用了寥寥數行算式就能得出著名的方程:E=mc2)。

自愛因斯坦得出了他著名的方程以來,可以說已有數百萬次實驗證實了他革命性的想法。例如,GPS系統能鎖定你在地球上所處的方位,精確到數英寸,如果不加入基於相對論的修正機制,它就會失效(由於軍方依賴GPS系統,連五角大樓的將軍都不得不聽物理學家介紹關於愛因斯坦相對論的理論)。GPS的時鐘實際上隨著它們在地面上的快速移動而變化,正如愛因斯坦所預料的那樣。

對這一概念最生動的示例可以在核粒子加速器里找到,科學家們在核粒子加速器中將粒子加速到接近光速。在瑞士日內瓦市外,的巨大加速器——大型強子對撞機(Large Hkdron Collider,LHC)中,質子被加速到數萬億電子伏特,而且它們的移動速度非常接近光速。

對一個火箭科學家而言,光障目前還不太成問題,因為火箭的速度僅僅能夠勉強超過每小時數萬英里。但是在一兩個世紀內,當火箭科學家們認真盤算著要將探測器送上最近的恆星(位於離地球4光年以上的位置)時,光障會漸漸成為難題。

數十年來,物理學家們試圖找到愛因斯坦著名論斷中的漏洞。已經有一些漏洞被發現,但它們大多不怎麼有用。例如,如果將一道閃光掠過天空,原則上光束的圖像會超過光速。在幾秒鐘之內,光束的圖像會從地平線上的—點移動到對面的一點,跨過一段可能延伸超過數百光年的距離。但是這無關緊要,因為這一方式無法以超光速傳播任何信息。光束的圖像超越了光速,但是這一圖像不攜帶任何能量或信息。

類似的是,如果我們有一把剪刀,兩片刀刃交叉的那一點離結合點越遠就移動得越快,如果我們想像剪刀有1光年長,那麼合上兩片刀刃會讓交叉點以超光速移動(同樣地,這也無關緊要,因為交叉點不攜帶任何能量或信息)。

同樣,就如我在第4章中所提到的那樣,EPR實驗使我們能夠以超光速發送信息。(我們可以回憶起,在這個實驗中,兩個電子共振,隨後它們被加速向兩個相反的方向釋放。由於這些電子是相

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