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超光速魅影

作者:苗千

2018-02-13·阅读时长4分钟

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蝴蝶星云(M2-9)人马座美丽的行星状星云

很多人都试过用一支激光笔在墙上产生的光点去逗家里的小猫。如果你拿着一支启动的激光笔,只需要手腕轻轻摇晃,就能看到一个光点在房间里到处乱晃,小猫看到了会兴奋地过去捕捉那个光点,但它跑得肯定没有那个光点移动的速度快。可以想象,当我们在一个房间里手拿一支激光笔到处挥舞的时候,激光在墙壁上形成的光点移动速度要比我们手臂晃动的速度更快,房间越大,我们看到的光点的移动速度也就越高——那么,当房间足够大,比如说,屋顶的高度是地球到月球的距离,那时光点移动的速度是否有可能超过光速?

物理学家看到“超光速”这个词总会变得更加审慎,因为狭义相对论规定了宇宙中最快的速度就是无质量的光子在真空中运行的速度,没有任何物质的运动速度能够超越它。但实际上在刚才提到的这个情况中,从地球发射到月球表面的一个“光点”的移动速度确实可以超越光速,只要快速地抖动手腕,每个人都可以做到。这个现象此前曾经被研究过,被称作“超光速剪刀”,意思是如果有一把非常非常长的剪刀,那么当一个人握住手柄开合这把剪刀的时候,剪刀的刀尖速度就可能在数字上超过光速。实际上,虽然剪刀无法超过光速,但“光点”并不是任何实际的物体,狭义相对论中所限定的速度极限是任何单个粒子的速度,而人们所看到的光点,实际上是由大量的光子束所构成的一个视觉现象,即使它“运行”的速度超过了光速,实际上也没有任何一个单个的光子超越了光速,这种现象并不违反狭义相对论。如同在电视屏幕上的影像也可以“超光速”运动,但是实际上,电视图像只不过是由光子形成的影像而已,并没有任何实际的运动产生。

2015年1月初,在美国西雅图举办的第225届美国天文学会大会上,来自密歇根理工大学的物理学家罗伯特·涅米罗夫(Robert J. Nemiroff)对于这个现象进行了深入的研究,这位曾经在美国航空航天局戈达德太空飞行中心工作的物理学家认为,在理论上人类有可能利用这种快速扫动出现的“超光速光点对”进行高精度的太空探测。他在会议上发表演讲并在网上发布了论文《在天文学场景中的超光速光点对:扫动的光束》(Superluminal Spot Pair Events in Astronomical Settings:Sweeping Beams),提出了一个在理论上可行的天文学探测新方法:当一个“超光速”的光束扫过一个凹凸不平的物体(比如说月球或是小行星)的表面,在某种特定的情况下,会出现一对行进方向相反的光子对,并可以被人们感知,这个现象可以被利用进行天文学探测,揭示出被光束扫过的物体表面的三维信息,这篇论文迅速吸引了人们的关注。

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苗千

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