第3節 速度的極限(2 / 3)

1850年,法國物理學家傅科改進了菲索的方法,他隻用一個透鏡、一麵旋轉的平麵鏡和一個凹麵鏡。平行光通過旋轉的平麵鏡彙聚到凹麵鏡的圓心上,同樣用平麵鏡的轉速可以求出時間。傅科用這種方法測出的光速是298000千米/秒。另外,傅科還測出了光在水中的傳播速度,通過與光在空氣中傳播速度的比較,他測出了光由空氣射入水中的折射率。這個實驗在微粒說已被波動說推翻之後,又一次對微粒說做出了判決,給光的微粒理論帶來了最後的衝擊。

1928年,卡婁拉斯和米太斯塔德首先提出利用克爾盒法來測定光速。1951年,貝奇斯傳德用這種方法測出的光速是299793千米/秒。

光波是電磁波譜中的一小部分,當代人們對電磁波譜中的每一種電磁波都進行了精密的測量。1950年,艾森提出了用空腔共振法來測量光速。這種方法的原理是,微波通過空腔,當它的頻率為某一值時發生共振,根據空腔的長度可以求出共振腔的波長,再把共振腔的波長換算成光在真空中的波長,由波長和頻率可計算出光速。

當代計算出的最精確的光速都是通過波長和頻率求得的。1958年,弗魯姆求出光速的精確值:(299792.5±0.1)千米/秒。

1970年美國國家標準局和美國國立物理實驗室最先采用激光法來測量光速。其精確度可達10-9.1972年,埃文森測得了目前真空中光速的最精確數值:(299792457.4±0.1)米/秒。

根據1975年第十五屆國際計量大會的決議,真空中的光速是(299792.458±0.001)千米/秒。

基於認為光速不變的理論,在這次大會上提出了以光速為基準,重新定義長度單位“米”概念的議案。1983年,在巴黎的第十七屆國際計量大會上,通過了這一議案,將1米的長度定義為:“1米是光在真空中在1/299792458秒的時間間隔內所傳播的距離”。

2.3.3 超光速

在相對論裏,愛因斯坦提出了光速是速度的極限的猜想,但是,這一猜想在實踐上和理論上都有待於探討。根據質量與能量的變化,粒子的質量轉化為能量,能量越大,速度就越高。假如,整個粒子的整個質量徹底轉化為能量,那麼粒子的能量就達到極限,粒子的速度也達到極限。假如光子沒有靜質量,反映出光子的整個質量已徹底變為能量,也就是說光子的能量已達到極限,那麼光子的速度也就是極限。這就是光速極限的道理。計算表明,光速為每秒30萬千米,即一秒鍾光幾乎可以繞地球赤道7周半。

因此,在經典物理學和愛因斯坦的現代物理理論中,光速是速度的極限,沒有超光速。對於科幻迷,這可能是一個壞消息。如果沒有超過光速的介質,我們幾乎可以肯定,外星人來不了地球,我們也無法去宇宙其他地方尋找外星人。

當然,許多科幻小說仍然描繪超光速的存在,並且隻有利用超光速飛行,故事才得以演繹下去。為了說服讀者,科幻作家也常常不得不在其中引入一些編造的物理概念,如“時空扭曲”“時間隧道”“超時空”“蟲洞”等。

這些編造的物理概念啟發了物理學家,使他們也借助某些假設來討論超光速這類極為前沿的課題。

例如,引入“快宇宙”和“慢宇宙”的概念,就可以使超光速成為可能。這與所謂的“超時空”,是否有似曾相識的感覺呢?

當然這種假設仍然是基於對微觀微粒的研究,因此,不能簡單地與科學幻想相提並論。

2.3.4 慢子、光子和快子

在理論物理的研究中,有人將自然界的粒子分成慢子、光子和快子三類,按靜止質量(m0)的大小,慢子m0>0,光子m0=0,而快子m0<0,快子就是比光運動得還快的粒子。

最先假定快子存在的是美國科學家比拉紐克和蘇達珊,直到1967年,美國哥倫比亞大學的傑拉爾德·範伯格才確定了快子在科學中的地位。他認為快子應該存在,隻不過它具有負重力的性質,也就是說它同我們這個宇宙中的物質不一樣,並不是靠萬有引力相互吸引,恰恰相反,它們是相互排斥的。如果把我們的宇宙稱作“慢宇宙”的話,那麼,由快子構成的宇宙則是“快宇宙”,光速是“慢宇宙”與“快宇宙”的分界線。在“快宇宙”中,會出現許許多多在“慢宇宙”中看來荒唐滑稽的事情,譬如,在“慢宇宙”中,不動的東西能量為零,一旦它獲得能量,便會運動得越來越快,能量無限大時,它就以光速運動。但在“快宇宙”中,情況恰恰相反,如果快子的能量為零,它就以無限大的速度運動,它得到的能量越大,運動得就越慢,當它得到能量無限大時,快子的速度就降低到光速。在“快宇宙”裏,光速是快子運動最小的速度;而在“慢宇宙”裏,光速則是物質運動的極限速度。

範伯格把這種比光還要快的、具有虛質量和虛長度的粒子稱為“快子”。如果我們假定這種快子能夠存在,那麼,它是否能夠按另一種方式來遵循愛因斯坦質能方程呢?

在我們這個“慢宇宙”中,一個物體在任何條件下都不能運動得比光快。而在“快宇宙”中,一個快子在任何條件下都不能運動得比光慢。光速是這兩個宇宙之間的界線,它是不能被超越的。

但是,快子是否真的存在呢?我們可以斷言:有可能存在著一個並不違反愛因斯坦理論的“快宇宙”,不過,有可能存在並不代表一定存在。自然界究竟是否存在超光速粒子呢?這仍然是個謎。

光速雖然已經非常快,目前,沒有什麼東西的速度可以超過它,但並不等於這就是速度的極限。即使有速度的極限,也許並不是光速,而會是另外的物質,如萬有引力。

宇宙是無限大的,以至於要用光走一年的距離來做單位測量。但是,即使以光速來計量,光也要走150億年才能追上最初飛出的宇宙微粒。而根據宇宙大爆炸理論,宇宙仍然在膨脹中,如果以公認的宇宙誕生至今已經有150億年來計算,並且假定所有天體都以光速在運動,那麼現在宇宙的半徑就是150億光年。也就是說宇宙是有限的了。如果宇宙是有限的,那麼現在的問題是,宇宙物質還沒有走到的地方是哪裏?是沒有天體物質的真空嗎?這還導致新的問題,引力是否跟隨著物質一起運動?引力有速度嗎?