光速被认为是速度的极限,根据相对论观点,任何信息或物理影响都不能传播得比光更快。如果真是这样,那我们所有的有关穿越时空、时间旅行的科学幻想,都是永远也不可能实现的了。
我曾经思考过一个这样的问题:太阳与地球的平均距离约为1.5亿公里,太阳光从太阳发出到达地球需要约八分钟的时间;而到达冥王星,需要几个小时。如果太阳突然崩溃消失了、它的引力也不存在了,地球是不是还要绕并不存在的太阳、在原有的轨道上运行八分钟后才改变轨道呢?冥王星是不是还要在原有的轨道上绕已不存在的太阳继续运行几个小时呢?
太阳离银河系中心约三万光年,如果银核崩溃消失了,太阳还要绕并不存在的银核运转三万年吗?
下面我们就先了解一下电磁波吧。
3.1电磁波
英国物理学家、电磁理论的奠基者詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell,1831年—1879年)在总结前人研究电磁现象的基础上,建立起完整的电磁波理论,预言了电磁波的存在,并推导出电磁波与光具有同样的传播速度,认为光也是一种电磁波。1887年至1888年间,德国物理学家海因里希·赫兹(Heinrich Hertz,1857—1894年),在实验中证实了电磁波的存在。之后,人们又进行了许多实验,不仅证明了光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。理论上电磁波的频率可以从零到无穷大,实际上我们所掌握的电磁波的频率范围是有限的。电磁波频率的范围称为电磁波谱。
根据麦克斯韦的电磁波理论,随着时间变化的电场能产生相应变化的磁场,反之亦然。因此,一个振荡中的电场会产生振荡的磁场,而一个振荡中的磁场又会产生振荡的电场,这些连续不断的振荡中的电场和磁场共同地形成了电磁波。
打开任何一本介绍电磁波的书、或者是基础物理理论的电磁波章节。电磁波是电磁场的一种运动形态,这个图就是一种电磁波的运动形态的展示。
电磁波是在振荡的电场与磁场的相互变换中运动传播的,其电场、磁场与其运动传播的方向三者之间互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变,其强度与距离的平方成反比;电磁波是能量的一种,任何位置的能量功率与振幅的平方成正比。
电磁波以每秒约30万公里的速度传播,电磁波从波源发射出来后,并不依赖于波源而存在。例如,如果有一颗距地球一万光年的超新星爆发,瞬间释放出巨量的电磁辐射后很快就成为一个黑洞。然而它已经放出的电磁波是不会因为发射源变成黑洞而消失的,一万年后,那些电磁波的一部分就会到达地球而被我们观测到。
1987年2月23日,天文学家目睹了400多年来最明亮的一起超新星爆炸事件。随后的几个月内,这颗被称为1987A的超新星一直光彩夺目。这颗超新星距离地球16.3万光年,位于大麦哲伦云中。事实上,它是在公元前161000年左右爆发的,但它的光直到1987年才抵达地球。
由于电磁波振幅的强度与距离的平方成反比,AB之间的距离越远,B处的接收到的电磁波的能量就越弱。所以,利用电磁波传递信息时,根据A处发射源的发射功率、及B处接收器的灵敏度,就存在一个有效的传递距离。众所周知,手机的通信是经过了附近的基站系统接收后,再经移动交换系统等设备的组成网络传递到对方的。
3.2磁场
虽然我是从太阳消失的假设开始思考引力场的速度的问题,但众所周知,我们目前尚无法在实验条件下制造出一个强引力场来。这一节我们就不讨论引力场的问题了,也不讨论电场,只说说磁场,用一个大型超导螺线管可以产生很强的磁场,人体接近它也没有什么危险。
磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场,磁场在空间里的任意位置都具有方向和大小。磁力线是不中断、不交叉的闭合的曲线;值得我们特别注意的是,越是逼近螺线管中央的磁力线,其闭合环路的路径就越是逼近无穷远。因而,一根逼近无穷远路径的磁力线,我们可以把它看作是直达宇宙的边缘后又转了回来。如果我们将螺线管中的电流关闭,螺线管产生的磁场消失后,在宇宙中绝对不会再有该螺线管产生的磁场存在。也就是说,宇宙中不存在磁场场源消失后,还在宇宙空间运行的磁场。这一点与电磁波决然不同。
现在我们已知:
1.磁场是矢量场
2.磁力线是闭合线
3.越逼近螺线管中央的磁力线,其路径就越逼近无穷远
设在一大型超导螺线管W产生的恒定磁场磁力线的某个闭合环路上有A、B两点,A处另设置一小螺线管E,B处设置一磁敏元件(例如超导量子干涉器件可以将极其微弱的磁场变化转为电信号)。
当E产生一磁场的磁力线的方向与该闭合环磁力线方向一致时,该闭合环上的磁感应强度将增加,反之则减小,这是一个简单的矢量叠加原理。只要B处的磁敏元件有足够的灵敏度,A处造成的磁场强度的变化,就能即刻在B处无滞后瞬间地感应到,而不论A、B两点之间的距离是多少。显然,利用好恒定磁场,完全可以实现超越光速。
3.3利用恒磁场可超越光速?
我们知道,磁力线不论其路径有多长,即使是无穷大,也一样是闭合线。如果我们的地球上没有磁场,地球上的指南针是直接指示着太阳磁场的磁力线方向,当太阳磁场的磁力线方向突然发生巨大变化时,指南针就会立刻显示这一变化。设A为太阳;B为地球。当A处的磁场方向突然变成反向时,B处的地球的指南针也应该是立刻反向,而不会因为太阳到地球的距离遥远而象光一样要等上8分钟后才有反应。这是磁场的性质所决定的,我们不做实验也一样知道结果。
“对不起,打扰一下,我不太懂物理,你说的这些我听得不是太明白,能不能用一个简单的比喻来说明利用恒定磁场传递信息要比光速快?”
“河东住着罗密欧与梁山伯,河西住着朱丽叶与祝英台。罗密欧和朱丽叶相爱,他们通过抛绣球过河的方式来传递爱的信息。梁山伯与祝英台相爱,有一根长长的红线将他俩连结,若要表达爱的信息,拉一拉红线,对方就心领神会。你说,两者相比,那一种传递信息的速度更快呢?”(量子力学告诉我们:光是波,也是粒子。)
传递方式决定了传递速度。爱因斯坦在狭义相对论中已经证明了任何物体不可能通过加速的方式使运动的速度超过光速,要想超越光速,就必须避开运动过程。上面讨论的只是磁场,按理说电场、引力场也是一样,场在两点间的作用是“线”,并没有一个运动过程,不论两点间的距离多远,其作用时间都应该是接近于零。而电磁波则不同,它有一个具体的运动过程。所以,我们只要找到一种能够利用场的性质来传递信息的方法,就能实现超越光速。
面对浩瀚的宇宙,面对满天灿烂的繁星,我们人类如果找不到一种超越光速的旅行方法,那么我们地球人的脚步就只能永远在太阳系的一个角落里打转转。
3.4量子场论
量于场论是在量子力学和相讨论的基础之上,经过一番革命性的探讨后建立起来的理论体系,它的具体内容十分庞大复杂。在量子场论中,像电磁场这样的经典场,在其微观结构上不仅具有波动性,而且具有粒子性;而电子、质子、中子、……这样一些实物粒子,又都是联属于某种场的量子。按照这种新的认识,微观客体不是以“粒子”的形态存在,而是以“量子场”的形态存在。实验上观测到的各种基本粒子,都是相应量子场的激发态。即使在某一段时间内,在某一空间区域里不存在粒子,在这一区域里仍然存在着量子场。只是这时,量子场处于真空态,我们用现有的物理实验方法观察不到它。
在量子力学的理论框架内,实物与场之间是不能互相转换的。而在量子场论里,对于波粒二象性的认识已超越了量子力学,波与粒子、场与实物之间处于对等的地位,不存在实物与场之间的绝对界限。我们所观测到的粒子之间的相互作用也就是相应的量子场之间的相互作用,理论上反映为场与场的相互偶合。量子场论告诉我们,宇宙中除了量子场外一无所有,我们对量子场知道得越多,对宇宙也就认识得越好。
量子场论给出的物理图像是:在全空间充满着各种不同的场,它们互相渗透并且相互作用着;场的激发态表现为粒子的出现,场的激发态消失,处于基态时,则表现为粒子的消失;不同的激发态表现为粒子的数目和状态的不同。
仅管量子场论还不是一个十分完美的理论,但它的建立,已把人们对微观世界的认识发展到一个新的深度。如果我们能找到一种控制方法,可以使激发态的量子场退激到基态(或真空态),使基态的量子场受激到激发态,那么,我们就可以控制物体的隐形与再现,从而实现避开运动过程的物质传递。