爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,光速是不可超越的,相信很多人都知道。



不过狭义相对论中的光速限制并不是绝对的,只是表明了信息(或者物质)的传播速度不能超过光速。言外之意,不管任何速度,只要在传播的过程中没有传递信息,就可以尽情超光速。

而科学家确实在自然界发现了四种超光速现象,颠覆我们的认知。

首先,就是量子纠缠。

当两个或多个粒子进入一种被称为纠缠态的特殊状态时,它们之间便形成了一种超越距离和经典物理理解的紧密联系。

这种联系意味着,对其中一个粒子进行测量,无论它们相距多么遥远,哪怕是宇宙的两端,另一个粒子的状态会瞬间发生相应的变化 ,就好像它们之间存在一种无形且超光速的 “通信”,能够即时传递信息。



爱因斯坦将其形容为 “鬼魅般的超距作用”,这一现象确实挑战了我们基于宏观世界经验所形成的直觉和认知。

从量子力学的理论基础来看,量子纠缠源于量子系统的整体性和量子态的叠加特性。

在量子力学中,粒子的状态不像经典物理中那样是确定的,而是以概率的形式存在于多种可能状态的叠加之中。



当粒子相互作用并形成纠缠态时,它们的量子态就相互关联,形成一个不可分割的整体,无法再单独描述每个粒子的状态,而只能描述整个纠缠系统的状态。

这种整体性是量子纠缠的核心特征,也是其与经典物理学中物体相互作用的本质区别。

虽然量子纠缠呈现出的超距效应似乎与相对论中光速不可超越的原则相冲突,但实际上,它并不违反相对论。

量子纠缠中的状态变化是随机且不可控的,无法被用于有序的信息传输。例如,在一个纠缠光子对中,测量其中一个光子的偏振态会瞬间影响另一个光子的偏振态,但这种影响是随机的,我们无法预先设定测量结果,也就无法利用这种现象来传递特定的信息。



在狭义相对论中,光速限制主要是针对信息和能量的传递速度,因此量子纠缠不涉及信息传递的特性使其不违背相对论。

接下来是宇宙的膨胀速度。



宇宙膨胀是现代宇宙学的核心概念之一,其证据主要来源于天文观测。

其中,哈勃定律是宇宙膨胀的关键证据。20 世纪 20 年代,天文学家爱德文・哈勃通过对星系光谱的研究发现,星系退行速度与它们和地球的距离成正比 ,即距离越远的星系,退行速度越快,这一关系可表示为:



这意味着,每增加 1 百万秒差距(约 326 万光年)的距离,星系的退行速度就会增加约 70 千米每秒。当距离足够远时,退行速度将超过光速。根据哈勃定律计算,当星系距离地球超过约 145 亿光年时,其退行速度就会超越光速 。

宇宙微波背景辐射(CMB)也为宇宙膨胀提供了重要证据。



这是一种均匀分布于整个宇宙空间的微弱电磁辐射,其频谱具备热辐射特征,温度均匀,约为 2.725K 。CMB 被视作宇宙大爆炸的 “余晖”,是早期宇宙高温高密度状态的遗迹。随着宇宙的膨胀,空间不断拉伸,CMB 的光子波长被拉长,能量降低,温度也随之冷却,这正是宇宙膨胀的直接体现。

从相对论的角度来看,宇宙膨胀的超光速特性并不违背相对论。



这是因为宇宙膨胀本质上是时空结构本身的扩张,而非物质在时空中的运动。在相对论中,光速不可超越的限制是针对物质和信息在时空中的传播速度,而时空本身并不受此约束。

举例来说,若将宇宙时空比作一张巨大的弹性薄膜,星系如同薄膜上的斑点,当薄膜被均匀拉伸时,斑点之间的距离会不断增大,这种增大是由于薄膜(时空)的伸展导致,而非斑点(星系)在薄膜上的移动。



此外,宇宙膨胀中的超光速现象也不会破坏因果律。当星系退行速度超过光速时,它与地球之间不再存在因果联系,因为其发出的光信号永远无法抵达地球。这就好比在一条不断延伸的传送带上,两个物体背向运动,当传送带的速度足够快时,它们之间就无法再相互影响。

然后就是曲速引擎。



曲速引擎是一种极具科幻色彩的推进系统,其物理原理根植于爱因斯坦的广义相对论。

广义相对论认为,时空并非是绝对和固定不变的,而是可以被物质和能量弯曲和扭曲。曲速引擎正是基于这一核心观点,通过对时空结构进行巧妙的操作,来实现看似超越光速的航行。

具体而言,曲速引擎的工作机制是在飞船周围制造一个特殊的时空区域,即 “曲速泡”。

在这个过程中,飞船前方的时空被高度压缩,而后方的时空则被拉伸。



想象一下,将时空看作是一块巨大的弹性布料,飞船就如同布料上的一个物体。当曲速引擎启动时,就像是在物体的前方不断地将布料折叠起来,使前方的距离迅速缩短;同时在物体的后方将布料展开,增加后方的空间。

这样一来,飞船就被包裹在这个被扭曲的时空泡中,随着时空的变形而向前移动 。

从本质上讲,飞船在曲速泡内部的运动速度并没有真正超过光速,它相对于曲速泡内的局部时空而言,仍然是在光速限制之内。



然而,由于曲速泡的存在,飞船在外部观察者看来,却能够以远超光速的速度跨越遥远的距离。这就好比在一个被极度拉伸和压缩的跑步机传送带上跑步,跑步者自身的速度并没有改变,但却能够在短时间内跨越很长的距离,因为传送带的运动带动了跑步者前进。

最后一个是虫洞。

虫洞,又被称为爱因斯坦 - 罗森桥,是一种连接时空中两个不同点的理论结构,就像是宇宙中的一条神秘捷径。



从概念上讲,虫洞可以被想象成一个时空隧道,其两端分别位于宇宙中相距甚远的两个位置,甚至可能连接着不同的宇宙。

理论上,一个虫洞能够连接 10 亿光年这样的极远距离,也可能连接着仅仅几米的超短距离 。许多科学家认为虫洞或许是第四空间维度在我们三维世界的投影,它的存在挑战着我们对时空和宇宙结构的传统认知。

然而,天然虫洞至今尚未被观测到,这使得虫洞的存在仍然停留在理论假设阶段。

根据理论推测,虫洞的稳定性是一个关键问题。由于虫洞内部的时空结构极度弯曲,它具有很强的引力,容易导致虫洞在形成后瞬间坍塌 。要使虫洞保持稳定,以便人类或物体能够安全通过,就需要一种特殊的物质 —— 负能量物质。



这种物质具有负压强和负能量密度的奇特属性,与我们日常生活中所接触到的普通物质截然不同。当负能量物质存在于虫洞内部时,它能够产生一种与引力相反的排斥力,从而抵消虫洞自身强大的引力,维持虫洞的稳定结构 。

尽管负能量物质在理论上是存在的,例如在卡西米尔效应中,科学家已经观测到了负能量的一些迹象,但目前我们还无法大量获取和利用负能量物质来稳定虫洞。



此外,即使能够找到稳定虫洞的方法,穿越虫洞也面临着诸多未知的挑战。比如,虫洞内部的时空环境可能对进入其中的物质产生未知的影响,而且虫洞的入口和出口位置以及穿越后的时间和空间坐标也难以精确预测。

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