[科普中國(guó)]-科學(xué)百科51期丨既然沒(méi)有任何東西能超過(guò)光速，人們所假定的那種運(yùn)動(dòng)得比光快的快子又是什么呢？

本期為大家?guī)?lái)：

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個(gè)問(wèn)題》本書(shū)是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。作者以通俗的語(yǔ)言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個(gè)尖端課題。其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對(duì)論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場(chǎng)論、夸克、快子、金屬氫等。作者對(duì)這些問(wèn)題的來(lái)龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒(méi)有希望得到解決等問(wèn)題均作了回答。▼

第五十一個(gè)問(wèn)題： 既然沒(méi)有任何東西能超過(guò)光速，人們所假定的那種運(yùn)動(dòng)得比光快的快子又是什么呢？

愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論有一個(gè)要求：我們宇宙中所存在的一切物體，都無(wú)法以超過(guò)真空中的光速的相對(duì)速度運(yùn)動(dòng)。單是為了迫使物體達(dá)到光速，就得花費(fèi)無(wú)限多的能量，而要把它推動(dòng)到超過(guò)光速，就需要花費(fèi)比無(wú)限多還要多的能量，這簡(jiǎn)直是無(wú)法思議的了。

不過(guò)，讓我們暫時(shí)假定有一個(gè)物體正在以超過(guò)光速的速度運(yùn)動(dòng)。

光的速度是每秒約300,000公里，那么，要是有某個(gè)質(zhì)量為1公斤、長(zhǎng)度為1厘米的物體以每秒約424,000公里的速度運(yùn)動(dòng)，會(huì)發(fā)生什么情況呢？如果我們應(yīng)用愛(ài)因斯坦的方程，它就會(huì)告訴我們說(shuō)，這時(shí)物體的質(zhì)量將等于? ?1公斤，它的長(zhǎng)度將變成+ ?1厘米。

換句話說(shuō)，任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)得比光還快的物體，都會(huì)具有必須用數(shù)學(xué)上所謂“虛數(shù)”（參看問(wèn)題6）來(lái)表示的質(zhì)量和長(zhǎng)度。我們沒(méi)有任何辦法把用虛數(shù)表示的質(zhì)量和長(zhǎng)度具體化，所以，大家就很容易認(rèn)為，這樣的東西既然是無(wú)法想象的，它們就不會(huì)存在了。

但是，1967年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的杰拉爾德·范伯格卻認(rèn)為很有希望把那樣的質(zhì)量和長(zhǎng)度具體化（范伯格并不是最先提出快子的人，這種粒子是比拉紐克和蘇達(dá)珊最先假定的，但是，范伯格推廣了這種概念）。也許，由“虛數(shù)”表示的質(zhì)量和長(zhǎng)度只不過(guò)是一種描述具有（讓我們說(shuō)是）負(fù)重力的物體的辦法——這種物體同我們這個(gè)宇宙中的物質(zhì)并不是靠萬(wàn)有引力互相吸引，而是互相排斥。

范伯格把這種比光還要快的、具有虛質(zhì)量和虛長(zhǎng)度的粒子稱為“快子”。要是我們假定這種快子能夠存在，那么，它是不是能夠按另一種方式來(lái)遵循愛(ài)因斯坦方程的要求呢？

顯然，快子是會(huì)這樣的。我們可以描繪出比光跑得還要快，但卻遵循相對(duì)論要求的快子所構(gòu)成的整個(gè)宇宙。不過(guò)，為了使快子能夠做到這一點(diǎn)，在涉及能量和速度的時(shí)候，情況就會(huì)同我們通常所習(xí)慣的情況相反。

在我們這個(gè)“慢宇宙”中，不運(yùn)動(dòng)的物體的能量等于零，但是，當(dāng)它獲得能量時(shí)，它就運(yùn)動(dòng)得越來(lái)越快，如果它得到的能量無(wú)限大，它就會(huì)被加速而達(dá)到光的速度。在“快宇宙”中，能量等于零的快子以無(wú)限大的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，它所得到的能量越大，它的運(yùn)動(dòng)就越慢，到能量為無(wú)限大時(shí)，它的速度就降低到光速。

在我們這個(gè)慢宇宙中，一個(gè)物體在任何條件下都不能運(yùn)動(dòng)得比光快。而在快宇宙中，一個(gè)快子在任何條件下都不能運(yùn)動(dòng)得比光慢。光速是這兩個(gè)宇宙之間的界線，它是不能超越的。

但是，快子是不是真的存在呢？我們可以斷言說(shuō)，有可能存在著一個(gè)并不違反愛(ài)因斯坦理論的快宇宙，不過(guò)，有可能存在并不一定就等于存在。

探測(cè)快宇宙的一種可能的途徑，就是要考慮到如果有一個(gè)快子以超光速通過(guò)真空而運(yùn)動(dòng)，那么，在它飛過(guò)時(shí)就必定會(huì)留下一道有可能探測(cè)到的光尾跡。當(dāng)然，大多數(shù)快子都飛得非?？臁裙膺€要快幾百萬(wàn)倍（正像大多數(shù)普通物體都運(yùn)動(dòng)得非常慢，只達(dá)到光速的幾百萬(wàn)分之一那樣）。

一般的快子和它們的閃光在我們能夠發(fā)現(xiàn)它們之前，早就一瞬即逝了。只有那種非常罕有的高能快子，才會(huì)以慢到接近光速的速度從我們眼前飛過(guò)。即使在這種場(chǎng)合下，它們飛過(guò)一公里也只需要三十萬(wàn)分之一秒左右的時(shí)間，所以，要發(fā)現(xiàn)它們也是一樁極傷腦筋的任務(wù)！