超光速

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超光速英語:Faster-Than-Light, FTL或稱Superluminal)是一種速度比光速還快的概念,源自於相對論中對於定域物體不可能超過真空中光速的推論限制,光速成為許多場合下速率的上限值。在此之前的牛頓力學並未對超光速的速度作出限制。而在相對論中,運動速度和物體的其它性質,如質量甚至它所在參考系的時間流易等,密切相關,速度低於(真空中)光速的物體如果要加速達到光速,其質量會增長到無窮大因而需要無窮大的能量,而且它所感受到的時間流甚至會停止(如果超過光速則可能會出現「時間倒流」),所以理論上來說達到或超過光速是不可能的(至於光子,那是因為它在真空中永遠處於光速c,而不是從低於光速增加到光速)。但也因此使得物理學家(以及普通大眾)對於一些疑似超光速的物理現象特別感興趣。

相對論出現後,超光速的意義出現在兩個領域,一個是物理上的(包括理論物理實驗物理)以及天文學觀測方面,另一個是科幻方面,將相關條目條列如下:

物理學與天文學上相關條目[編輯]

相對論[編輯]

  • 真空中光速:標記為,定義值為:299,792,458.17m/s(1,079,252,848.8公里/小時)。
  • 迅子:迅子(tachyon)從相對論衍生出的理論虛擬粒子,總是以高於c的速度在宇宙運行。與一般物質(稱為遲子(tardyon))的交互作用可能性不明;是故,即使迅子存在也不一定能偵測得到,但光子到達c的質量狀態時,會使得光原子與迅原子相撞產生光爆。(不包括特殊宇宙狀態)

波動速度定義[編輯]

  • 相速度與超光速:一個波動的相速度可以輕易地超過真空光速c。原則上,甚至是簡單的機械波都可以超過,而且不需要有任何物體是以接近或超過c的速度在移動。然而這和信號或信息的傳遞速度能否超過c無關。
  • 群速度與超光速:在一些特殊情況下,一個波動(例如光束)的群速度甚至也可以超過c。在這些例子中,會相伴出現的是強度的快速衰減。此脈衝的極大點可以用超過c的速度移動。然而相同地,這也不表示訊號或資訊的傳遞速度可以超過c;雖然有些人會將脈衝極大點與訊號關聯在一起而感到興奮,但目前認為這種關聯性想法是有所誤導的。原因在於:有脈衝到達的資訊可以在極大點到達前就已取得。舉例來說,如果存在有機制允許脈衝前段可以完全傳遞,而包含極大點以後的部份則會被強烈地衰減掉,則可以等效地認為脈衝極大點在時間上往前漂移(加快抵達);而關於脈衝的資訊,其傳遞並沒有比無機制的狀況下來得快。
這段文字與當前的超光速實驗有關,另請參見。
  • 資訊傳遞速度與超光速狹義相對論禁止超過c的資訊傳遞速度。而例如量子力學上目前的新焦點——量子纏結,有人認為可以達到超光速的資訊傳遞,但主流意見認為不可能,頂多只能加快資訊傳遞速度到達近光速。

量子力學[編輯]

  • 量子纏結中進行量子測量的即時變化出現了廣域關聯性,似乎相距極遠的纏結粒子之間有超光速的「溝通」。有些學者認為可能可以利用之,以得到即時或超光速的「訊息」,但主流學界予以否定。對於量子纏結的超光速關聯看法,一些學者認為可能是哥本哈根學派量子力學詮釋有缺陷所致,可能在一些其他的詮釋下能夠獲得圓滿的解決。
  • 量子穿隧效應與超光速
  • 玻姆理論中的超光速

實驗物理[編輯]

天文學與宇宙學[編輯]

  • 超過光速的宇宙膨脹:宇宙膨脹使得遠距離的恆星系以超過c的速度彼此遠離,這個速度的度量是採用同移距離(comoving distance)與宇宙時間(cosmological time)來計算的。然而根據廣義相對論,一般所言的速度是個定域性質的標記,光速的限制也是針對這種定義下的速度。因此採用同移座標所算出的速度和定域座標的速度並不存在有任何簡單的關聯性。
這個概念與阿庫別瑞引擎所採的機制可說是相仿的,另請參見。
  • 天文學觀測到的超光速:明顯的超光速運動在許多電波星系類星體等等極遠星體可以觀測得到。這效應在觀測到前就已獲得預言,可以用光學幻覺來解釋,原因是星體移動方向和觀察者相同,但做速度計算時卻沒有如此設定。這現象並不違背狹義相對論。有趣地是,經過校正後的計算值顯示這些星體的速度是近光速的(相對於我們的參考系),而且是大質量物體以近光速運動的第一例。在地表上的實驗室,我們尚未能夠將輕如基本粒子的物體加速到這樣的速度。
  • 暴脹理論與光速可變理論[1][2]:指宇宙大爆炸起初速度遠快於現在光速,又分為經典暴脹理論混沌暴脹理論光速可變理論。後者由喬奧·馬古悠提出的,認為以相對論而言是時空結構先行於可見物體,而光是時空結構一部分,所以認為以當時物理條件來說,光仍是遠快於其他物體的擴張,只是光在其時遠比現在更快。而隨著時間的改變,光速逐漸降低到現在的值。

廣義相對論與度規操控[編輯]

科幻作品的超光速[編輯]

距離地球最近的恆星系半人馬座α星(南門二),有4.2光年之遙,以光速來回對地球上的觀察者而言就要花上8.4年,更何況是次光速的太空飛行器。

而科幻的舞台上很多是發生在比這距離更遙遠的星系間故事,按照相對論,這些故事理應不會發生。科幻理論中常有方法或設定允許太空飛行器迴避相對論限制,航行於廣闊太空的星際之間,而又不天馬行空地明顯違反物理學

此外,星際間訊息傳遞也有相似的情況。

超光速的驗證[編輯]

OPERA實驗[編輯]

相關條目[編輯]

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ 馬古悠(J Magueijo)《比光速還快》(Faster than the speed of light),簡體中譯本由湖南科學技術出版社出版,isbn 7535742351
  2. ^ 存檔副本. [2007年6月21日]. (原始內容存檔於2007年5月27日). 

外部連結[編輯]