学术资讯 思想实验构建超光速假象:或助揭开宇宙奥秘

(编辑:admin    日期:2016年08月12日    浏览:次)

据物理学家网站报道,在近日于西雅图召开的第225届美国天文学会会议上,科学家们展示了一项实验,在该实验中他们创设出一种超光速错觉,而这一实验在未来或许将成为揭开宇宙奥秘的有力工具。

    任何物体的运行速度都不可超越光速。罗伯特·涅米罗夫(RobertNemiroff)是美国密歇根理工大学物理学教授,他并不打算挑战这一事实。但他 的确有一个主意,在某种情境下可以创造出让观察者误以为是超光速现象的错觉。所见不一定就是事实,但在这一具体案例中,这种想法却可能具有重要的实用意 义。

    创设这种超光速假象的做法在原理层面上相当复杂,但在1月8日的会议期间,涅米罗夫利用几个简短的思想实验来对此进行了解释。

    举例来说,请想象有一个房间,天花板高度是50英尺(15.24米),宽度15米×15米。接下来,请想象你躺在这个房间的中央地板上,手里拿着一支激 光笔,你将激光笔指向天花板,这样你就能在天花板上看到一个微小的光点。现在你将手里的激光笔沿着天花板从左向右划过。要完成这个动作,你只需要稍稍将你 的手移动个几英寸的距离就可以了——但就在你做出这一动作的短短时间内,天花板上的光点已经移动了15米远。快速转动你的手腕,天花板上的光点可以很容易 地在半秒内移动15米——这相当于每小时110公里。

    现在,将这一思想实验的规模大大扩展。请想象你所在的这个房间有几公里高,几公里宽。相应的,你手里的激光笔功率也大大增强。于是当你转动手腕,天花板 上的那个光点就会很容易在一小时内运动数百公里。那么是否有可能,假如有一间足够大的房间,使得这个光点能以超过光速的速度运动?涅米罗夫指出这是可能 的,并且在此过程中并不会违背任何的物理学定律。

    爱因斯坦的狭义相对论指出,一个物体(如一个光子)的运动速度看上去超过光速是不可能的。然而涅米罗夫的这项实验却并未打破这一物理定律,因为激光笔产 生的是一束光束而不是单个的光子。这束光束中的任何一个单一光子的运动速度都没有超过光速,但从整体来看,它们却能产生出超光速运动的错觉。

    理解这种错觉实验的方式是想象一条电子行情纸带,我们都可以看到似乎文字正沿着水平方向移动。但这是错觉。事实上,这些文字是由一系列单独且位置固定的 小灯泡发光组成的。因此从理论上说,是有可能出现其显示的文字移动速度超过光速的情况的,因为事实上并没有任何东西真的移动了。每一个灯泡的发光都是独立 事件,它们只是从整体上给观察者造成了超光速现象的错觉。

    以上便是涅米罗夫思想实验的第一阶段。

    现在,请想象你将一束激光射入无边无际的宇宙空间。你将不会看到那个微小的光点,因为远处没有房间的墙壁。现在,请想象你正射出一束激光,其方向与一堵 无限长的墙壁相平行。此时转动你的手腕,于是激光便会与墙壁相交。这束激光会在何处与墙壁相交?不可能是无穷远处,因为那样就将需要无穷大的时间。但与此 同时这个交汇的点也不会在你身上——也就是说,这个交汇点应当是介于无限远以及你自己之间的某处。

    然而根据涅米罗夫的说法,如果你选定某个有限远处的点作为光束与墙壁的交点,那么你的光束必须指向稍稍比那个点稍远一些的地方,事实上,那个光点必须总是同时位于两个位置上。

    由于光子必须同时出现在两个地方,于是就会发生非常诡异的现象:墙壁上将会出现两个光点,分别朝着相反的方向运动——一个光点朝向你运动,另一个则背离 你运动。其中一个点的运动速度低于光速,而另一个光点的运动速度则似乎要超过光速(与此前提到的天花板光点实验一样,这只是一个错觉,并非单个光子的运动 速度超越了光速)。这样将会产生一次亮度爆发,涅米罗夫称之为“光爆”,之所以用这个名字,是因为它与物体超越声速时产生的“音爆”有点相似。

    涅米罗夫已经将这项研究涉及的有关细节撰写为论文并提交给论文预印网站arXiv.org。在这篇论文中,涅米罗夫指出这种“光爆”存在于自然界中。当 然它不是由激光笔产生的,自然界中的光爆现象可能是由其他光源产生的,比如脉冲星,这是死亡的恒星,会产生非常明亮而稳定的光束。

    涅米罗夫在密歇根理工大学的一份声明中表示:“光爆在我们身边频繁发生,但它们的持续时间太短以至于无法引起关注。而在宇宙中,它们的持续时间足够长, 足以引发关注,但此前没有人想到要去观测它。”哈佛-史密松天体物理学研究中心的罗珊妮·蒂·史蒂芬诺(RosanneDiStefano)则表示:“这 一概念尽管尚未得到观测证实,但听起来非常有趣。”

    当然在自然界中产生光爆效应的并非一堵想象中的无限长的墙壁,而是当光线沿一个具等深线的球面传播时将会发生的现象,比如月球。根据涅米罗夫的说法,这 种效应的细节取决于光线穿过这个物体的时间,以及光线穿过该物体深度所需要的时间之间的相互关系。因此假如月球是一个平坦的圆盘,那么也就无法产生光爆现 象。

    对光爆现象的观测将能够提供有关目标天体的很多信息。根据密歇根理工大学的一份声明,一束光每秒可以数千次扫过一颗小行星的表面,每次扫过都会产生一次无害,但却可以提供信息的光爆现象。这样的光爆现象将可以为我们提供有关于这颗小行星的大小以及表面特征的信息。

    涅米罗夫预计我们将可以在NGC2261,也就是哈勃空间望远镜眼中的“变光星云”内见到光爆现象。这是一个扇状的尘埃和气体云,由位于其基部的一颗单 颗恒星照亮。这颗恒星的光穿过尘埃和气体云团时产生的阴影将会产生光爆现象,持续时间可以长达数天甚至数月。(本消息来自新浪科技)