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天空之光

科学家庆祝理解宇宙速度极限100周年

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正如任何懂科学的六年级学生都会告诉你,看星星就是看过去。宇宙更遥远区域的光线需要更长的时间才能到达这里——在某些情况下是数十亿年——因此,随着望远镜变得越来越强大,天文学家可以看到越来越遥远的过去。

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这个想法的根源可以追溯到17世纪,但直到最近我们才完全理解光与历史之间的关系。就在今年,一百年前,阿尔伯特·爱因斯坦证明了光速不仅是有限的,而且是恒定和绝对的。在太空的虚空中,光以每秒186,282英里的固定速度传播,没有任何东西可以比它更快。换句话说,来自更远星星的光束永远无法超越来自更近星星的光束。宇宙的故事永远不会失序。

十二月的夜晚尤其适合探索光速。地球背对着我们银河系的尘埃中心,使得我们可以不受阻碍地观测遥远的天体。你看到的一些星星在罗马帝国时期之前就发出了它们的光。肉眼可见的最远物体根本不是恒星:而是仙女座星系。它220万年前的光,在晚上7点左右,看起来像一个模糊的椭圆形漂浮在头顶。望远镜可以探测到数千倍更远的星系。事实上,十二月夜空中展示的历史课几乎一直延伸到开启一切的宇宙大爆炸,这都要归功于光有限的速度。

在地球上,情况就变得更复杂了。光著名的恒定性只适用于它在真空中传播时。在真空之外,一切都无法确定。例如,光在水中以每秒140,000英里的速度传播,在玻璃中以每秒125,000英里的速度传播。介质越密集,光速损失越多。钻石能极大地延迟光,以至于每个波长都向不同方向弯曲,赋予宝石独特的闪光色彩。当光通过一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚的奇特、超低温原子集合时,光速可以减慢到每小时仅38英里。

从某种意义上说,光速从未真正改变。相反,光的每个粒子,或称为光子,会被材料中的原子短暂吸收。片刻之后,原子会发射出该光子的克隆,然后继续旅程。这个过程发生的极短时间,一次又一次地重复,就是减慢光速的原因。

这意味着,在光必须从一个原子跳到另一个原子的任何地方,都有可能超越光速。当带电粒子突破局部光速时,就会产生一种奇妙而美丽的蓝色辉光,称为切伦科夫辐射——这是声波爆炸的视觉等效物。在地球上,这种辐射出现在某些类型核电站的反应堆池中,由高速原子碎片击穿水而引发。

更令人惊讶的是,科学家们发现,甚至有可能超越光在真空中的最高速度——每秒186,282英里。2000年,新泽西州普林斯顿NEC研究所的一个团队报告说,他们将一个能量光脉冲通过一个充气室以310倍光速推进。1997年,瑞士研究员尼古拉斯·吉辛研究了可能是宇宙中最快的过程。当两个基本粒子同时产生时,它们的一些基本属性——例如它们的自旋方向或运动方向——就会永久地结合在一起。如果一个“双胞胎”的属性发生变化,另一个“双胞胎”也会同时发生变化。吉辛的实验证实,这种“幽灵般的”通信是瞬时的,即使跨越长距离也是如此,这使得它比光速无限快。

尽管如此,在爱因斯坦百年纪念年结束之际,如果不确认这位伟大物理学家关于任何有形物质都无法超越真空中的光速的说法是完全正确的,那将是具有误导性的。

即使是试图接近光速也会产生一些奇特的结果。一个以接近光速运动的宇航员将穿越空间,但几乎不会穿越时间。光子根本不会穿越时间:以全光速传播,它会体验到同时存在于宇宙的每一个地方。

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