澄清事实:没有任何东西可以打破光速

物体看起来可能不像它们实际上那么快,这是宇宙中的一种普遍错觉。
Gamma-ray burst from exploding galaxy in NASA Hubble telescope rendition
伽马射线暴(如图所示)来自遥远的爆炸星系,传输的光比我们看到的可见光波长更强大。但这并不意味着它们更快。NASA、ESA 和 M. Kornmesser

早在 2018 年,天文学家在哈勃太空望远镜的图像中检查了两个中子星碰撞的残骸时,就注意到了一些奇怪的现象:一股明亮的高能离子流,以七倍光速喷射出合并点并朝向地球。

这似乎不对劲,于是该团队使用另一台射电望远镜的观测结果重新计算。在那些观测中,这股物质流的流逝速度仅为光速的四倍。

这仍然不对劲。宇宙中没有任何东西能比光速更快。正如本月初发表在《自然》杂志上的一项研究解释的那样,这其实是一种错觉。

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使粒子在太空中似乎以超光速传播的现象被称为超光速运动。这个短语很贴切这个错觉:它的意思是“比光还快”,但实际上描述的是一个物体朝你运动时看起来比实际速度快得多的把戏。太空中存在着一些高能物质流,它们会“假装”以超光速运动——如今,天文学家看到的这类天体数量正在不断增加。

“它们看起来在天空中飞速移动,但实际上是因为它们同时朝你和你正在观察的那个方向移动,”马里兰州太空望远镜科学研究所的天文学家 Jay Anderson 说,他曾广泛使用哈勃望远镜,并且是《自然》杂志论文的合著者。

为了获得喷流的真实速度,Anderson 和他的合作者比较了哈勃望远镜和射电望远镜的观测结果。最终,他们估计该喷流正以大约 99.95% 的光速直接冲向地球。这非常接近光速,但并非超光速。

事实上,据我们目前所知,我们星球上或之外的任何物体都无法超过光速。这一点早已通过阿尔伯特·爱因斯坦一个世纪前提出的狭义相对论定律一次又一次地得到证实。光速约为每小时 6.7 亿英里,是宇宙的终极速度限制。不仅如此,狭义相对论还认为,无论观察者是谁或是什么,光速都是恒定的。

但狭义相对论并不限制物体以非常接近光速的速度(例如宇宙射线和太阳耀斑中的粒子)旅行。这就是超光速运动的作用。当某物朝你移动时,其光和图像到达你的距离会缩短。在日常生活中,这并不是一个真正重要的因素:即使是看起来很快的物体,比如一架在您头顶的天空中飞行的飞机,其速度也远未达到光速。

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但当某物以每小时数亿英里的高速以正确的方向移动时,物体与观察者(无论是人还是相机镜头)之间的距离会急剧缩短。这产生了物体比实际速度更快的接近的错觉。我们的眼睛和望远镜都无法区分,这意味着天文学家必须根据图像数据计算出物体的实际速度。

这项新的《自然》论文的研究人员并不是第一个研究超光速运动的人。事实上,他们已经晚了一个多世纪。1901 年,天文学家扫描夜空时,瞥见了英仙座方向的一颗新星。那是白矮星吞噬了附近气态巨行星外壳的残骸,短暂地发出了肉眼可见的强光。天文学家发现了一个以惊人速度膨胀的气泡。但由于当时还没有广义相对论的理论,这一事件很快就被人遗忘了。

到了 20 世纪 70 年代和 80 年代,这一现象再次引起人们的关注。那时,天文学家在宇宙遥远的角落发现了各种奇怪的高能天体:类星体和活动星系,它们都能喷射出物质流。大多数情况下,这些天体是由黑洞驱动的,这些黑洞喷射出几乎以光速运动的高能喷流。根据它们来自的黑洞的质量和强度,它们可以延伸数千、数十万甚至数百万光年才能到达地球。

随着遥远天体的接近,我们的眼睛和望远镜都无法区分,给我们造成了它们移动速度越来越快的错觉。

大约在同一时间,研究射电波的科学家开始看到足够多的“假超光速”天体,引起了警报。他们甚至发现一个来自遥远星系的喷流,其速度似乎接近光速的 10 倍。这些观测结果引起了天文学家的极大警惕,尽管到那时这些机制已经得到了充分理解。

在此后的几十年里,超光速运动的观测结果越来越多。天文学家通过望远镜看到了越来越多的喷流,特别是那些漂浮在太空中的望远镜,如哈勃望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜。当光不需要穿过地球大气层时,它们的捕捉能力可以达到更高的分辨率。这有助于团队发现更远的喷流(例如来自古老、遥远星系的),并有助于他们更详细地观察近距离的喷流。Anderson 说:“哈勃望远镜的图像比地面望远镜的图像更清晰。”

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例如,以遥远的 M87 星系为例,其巨大的中心黑洞发射出的喷流,其速度据称在光速的 4 到 6 倍之间。到了 20 世纪 90 年代,哈勃望远镜实际上能够窥视能量流,并发现其中一些部分的传播速度不同。Anderson 解释说:“你可以真正看到喷流中的特征在移动,并且可以测量这些特征的位置。”

天文学家对这些超高速喷流感兴趣是有充分理由的,尤其是在现在。以《自然》研究中提到的碰撞的中子星为例,碰撞引发了伽马射线暴,这是一种仍未被充分理解的高能爆炸。该事件还引发了一场引力波风暴,在时空中产生了涟漪,研究人员现在可以探测和观测它们。但直到他们发现太空中物质运动中的一些奇怪新物理学之前,光速仍然是硬性上限。

 

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Rahul Rao

特约撰稿人,科学

Rahul Rao 自2021年初以来一直是《科学美国人》的实习生和特约科学作家。他报道物理学、太空、技术以及它们之间的交叉领域以及其他一切。


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