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超光速

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超光速(英语:Faster-Than-Light, FTL或称Superluminal)是一种速度比光速还快的概念,源自于相对论中对于定域物体不可能超过真空中光速的推论限制,光速成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。而在相对论中,运动速度和物体的其它性质,如质量甚至它所在参考系的时间流易等,密切相关,速度低于(真空中)光速的物体如果要加速达到光速,其质量会增长到无穷大因而需要无穷大的能量,而且它所感受到的时间流甚至会停止(如果超过光速则可能会出现“时间倒流”),所以理论上来说达到或超过光速是不可能的(至于光子,那是因为它在真空中永远处于光速c,而不是从低于光速增加到光速)。但也因此使得物理学家(以及普通大众)对于一些疑似超光速的物理现象特别感兴趣。相对论出现后,超光速的意义出现在两个领域,一个是物理上的(包括理论物理实验物理)以及天文学观测方面,另一个是科幻方面,将相关条目条列如下:

物理学与天文学上相关条目

相对论

  • 迅子:迅子(tachyon)从相对论衍生出的理论虚拟粒子,总是以高于c的速度在宇宙运行。与一般物质(称为迟子(tardyon))的交互作用可能性不明;所以即使迅子存在也不一定能侦测得到,但光子到达c的质量状态时,会使得光原子与迅原子相撞产生光爆。(不包括特殊宇宙状态)

波动速度定义

  • 相速度与超光速:一个波动的相速度可以轻易地超过真空光速c。原则上,甚至是简单的机械波都可以超过,而且不需要有任何物体是以接近或超过c的速度在移动。然而这和信号或信息的传递速度能否超过c无关。
  • 群速度与超光速:在一些特殊情况下,一个波动(例如光束)的群速度甚至也可以超过c。在这些例子中,会相伴出现的是强度的快速衰减。此脉冲的极大点可以用超过c的速度移动。然而相同地,这也不表示讯号或资讯的传递速度可以超过c;虽然有些人会将脉冲极大点与讯号关联在一起而感到兴奋,但目前认为这种关联性想法是有所误导的。原因在于:有脉冲到达的资讯可以在极大点到达前就已取得。举例来说,如果存在有机制允许脉冲前段可以完全传递,而包含极大点以后的部分则会被强烈地衰减掉,则可以等效地认为脉冲极大点在时间上往前漂移(加快抵达);而关于脉冲的资讯,其传递并没有比无机制的状况下来得快。
这段文字与当前的超光速实验有关,另请参见。
  • 能量传递速度与超光速狭义相对论禁止超过c的能量传递速度。无静质量量子是以c在运行,而有静质量者则以小于c的速度运行。
  • 资讯传递速度与超光速狭义相对论禁止超过c的资讯传递速度。而例如量子力学上目前的新焦点——量子缠结,有人认为可以达到超光速的资讯传递,但主流意见认为不可能,顶多只能加快资讯传递速度到达近光速。

量子力学

  • 量子缠结中进行量子测量的即时变化出现了广域关联性,似乎相距极远的缠结粒子之间有超光速的“沟通”。有些学者认为可能可以利用之,以得到即时或超光速的“讯息”,但主流学界予以否定。对于量子缠结的超光速关联看法,一些学者认为可能是哥本哈根学派量子力学诠释有缺陷所致,可能在一些其他的诠释下能够获得圆满的解决。
  • 量子穿隧效应与超光速
  • 玻姆理论中的超光速

实验物理

  • 超光速实验以及慢光

天文学与宇宙学

  • 超过光速的宇宙膨胀:宇宙膨胀使得远距离的恒星系以超过c的速度彼此远离,这个速度的度量是采用同移距离(comoving distance)与宇宙时间(cosmological time)来计算的。然而根据广义相对论,一般所言的速度是个定域性质的标记,光速的限制也是针对这种定义下的速度。因此采用同移座标所算出的速度和定域座标的速度并不存在有任何简单的关联性。
这个概念与阿库别瑞引擎所采的机制可说是相仿的,另请参见。
  • 天文学观测到的超光速:明显的超光速运动在许多电波星系类星体等等极远星体可以观测得到。这效应在观测到前就已获得预言,可以用光学幻觉来解释,原因是星体移动方向和观察者相同,但做速度计算时却没有如此设定。这现象并不违背狭义相对论。有趣地是,经过校正后的计算值显示这些星体的速度是近光速的(相对于我们的参考系),而且是大质量物体以近光速运动的第一例。在地表上的实验室,我们尚未能够将轻如基本粒子的物体加速到这样的速度。
  • 暴胀理论与光速可变理论[1][2]:指宇宙大爆炸起初速度远快于现在光速,又分为经典暴胀理论、混沌暴胀理论和光速可变理论。后者由乔奥·马古悠提出的,认为以相对论而言是时空结构先行于可见物体,而光是时空结构一部分,所以认为以当时物理条件来说,光仍是远快于其他物体的扩张,只是光在其时远比现在更快。而随着时间的改变,光速逐渐降低到现在的值。

广义相对论与度规操控

科幻作品的超光速

距离地球最近的恒星系半人马座α星(南门二),有4.2光年之遥,以光速来回对地球上的观察者而言就要花上8.4年,更何况是次光速的航天器。

而科幻的舞台上很多是发生在比这距离更遥远的星系间故事,按照相对论,这些故事理应不会发生。科幻理论中常有方法或设定允许航天器回避相对论限制,航行于广阔太空的星际之间,而又不天马行空地明显违反物理学

星际间讯息传递也有相似的情况。

此外,若观察者以超光速去追过去的影像,会看到影像倒带的现象。

超光速的验证

OPERA实验

相关条目

参见

参考资料

  1. ^ 马古悠(J Magueijo)《比光速还快》(Faster than the speed of light),简体中译本由湖南科学技术出版社出版,isbn 7535742351
  2. ^ 存档副本. [2007年6月21日]. (原始内容存档于2007年5月27日). 

外部链接

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