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“快子”超光速的原因是什么?优质

931次浏览| 2022-06-29 06:16:41 更新
来源:互联网
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 所说的“快子”英文是“tachyon”,据我了解这种东西是出现在弦理论里面的,而且只是出现在玻色弦的情况。既然要说它,首先就要知道它是怎么来的以及为什么会有这种概念。     对玻色弦做量子化,按照相对论的质壳关系,可以看出玻色弦的基态是一个质量纯虚(不是负质量,是虚质量)的态,这说明它的动量大于能量,因此如果按照相对论的色散关系,其传播速度大于光速。所以从这个角度来说,它并没有违背相对论。但是按照我们对于质量和速度的概念的定义,这样的态并不应该理解为一种粒子。也就是说tachyon并非一种真正的粒子态,或者说它只是一种假想的粒子,并不真实存在。这类似于我们平时说的声子的概念,或者旧的量子理论中Dirac海以中空穴的概念,都是假想粒子。

  tachyon态最初的确是按照相对论质壳条件从玻色弦谱里得到的态,但是这样算出其传播速度超光速又与相对论本身有出入,所以把它定义为一种粒子态是不自洽的。因此现代弦理论赋予了这样的态全新的诠释,即tachyon态的出现说明玻色弦的真空并不稳定,这导致它会衰变成为其它的东西。这种诠释可以从量子力学波函数的角度来定性说明。质量为纯虚的态,其波函数中本来表示随时间演化的相位因子会变成描述这个态的衰变行为。因此这也说明为什么超对称对于弦理论是很重要的,因为超对称的存在使得tachyon态是不存在的,因此超弦的基态是稳定的。当然超对称的存在更重要的意义是使得弦理论能够描述费米子。      总的来说,弦理论里的tachyon这种概念是早先研究玻色弦引出的一种概念。由于当时对弦理论认识的局限,人们会把它当成一种假想的粒子态,当然今天来看这种观点已经过时了。所以现在人们不再把tachyon态当作一种粒子,通常一提到tachyon态的存在都会理解为我们研究的系统的基态不稳定,会存在衰变。这种概念有时也会用在现代量子场论里面。

相对论并不禁止超光速的存在,而只是禁止「超越」光速。前者指的是速度大于光速的状态,后者指的是从亚光速加速至超光速的过程。即所谓:亚光速的永远亚光速,超光速的永远超光速。真实的普通物质都是亚光速的,所以通常才说光速是自然界速度的上限。如果将快子一类物质也包括进来的话,则更普适的说法是:「光速」是一种速度的「屏障」或者「壁垒」,即普通物质:质量为实数(质量平方为正数),速度比光速低,且永远不可向上超光速;快子类物质:质量为虚数(质量平方为负数),速度比光速快,且永远不可向下亚光速。为了理解这一点,可以考虑怎么加速一个物体。通常的做法是,增加一个物体的能量,对应这个物体就跑得越来越快。那么来看,有没有可能这样不断加速一个物体使其超光速。下图展示了「相对论中」的能量和速度的关系;横坐标是“能量/静止能量”的比值,纵坐标是“速度/光速”的比值。横坐标是“能量/静止能量”的比值,纵坐标是“速度/光速”的比值。光速恒定为

1,图中红色水平虚线。通常的物质对应上图中的蓝线,亚光速(在红线下面)。能量增加,速度也增加(符合常识)。但是随着速度的提高(接近红线),速度的增加越来越困难——想提高哪怕一点点速度,都需要注入大量能量。实际上,这条蓝色曲线是向上无限趋近于红线(光速)的。即,想要加速到光速,需要注入无穷多的能量。于是事实就是,无论注入多少能量,普通物质的速度都只能接近光速,而永远不可超越光速。所以通常的物质永远都是亚光速。快子类物质对应上图中的绿线,超光速(在红线上面)。能量增加,速度反而在减少。但是和普通物质(蓝线)正好相反,快子类物质速度的减小也是以光速为下限的。即,想要减速到光速,需要注入无穷多的能量。于是,快子类物质的速度只能向下接近光速,而永远不可向下越过光速变成亚光速。所以快子类物质永远都是超光速。光速作为一条渐近线,可视为亚光速/超光速之间的一种屏障或壁垒。最后需要指出,快子只是理论上的假想物质,至今没有任何实验证据。

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  这些难以解释的现象有些使科学家们胆怯,生怕被不精确的测量所愚弄。可美国和西德的一些科学家经过十多年的认真观测,积累了足够多的数据,令人信服地证实他们的观测是真实的。这就是说,超光速粒子在茫茫宇宙中是客观存在的。面对这种出乎意料的结果,众说纷纭,各种猜测,假说应运而生。

  1967年,美国哥伦比亚大学范伯格提出一种假设,即认为,在宇宙空间中存在另一个由速度超过光速的粒子(称之为"快子")组成的宇宙,在由这种由"快子"组成的宇宙空间中,一个能量为零的粒子是以无穷大速度运动的,而且若它们获得的能量越多,反而运动速度越慢,直到获得无穷大能量后,速度才减慢到光速。这正好与我们这个宇宙中的情况相反:在我们这个宇宙中,一个静止物质能量最小,当它获得能量后,就开始运动,而且获得能量越多,运动速度就越快,直到获得无穷大的能量后,物体速度也达到极限,即光速。在快宇宙中(由"快子"组成的宇宙),任何情况下,一个超光速粒子不可能比光速运动得慢,而在我们的慢宇宙中,任何情况下,一个物体不可能比光速运动得快,由此可见,光速正是两个宇宙的分水岭。如果一个"快子"在真空中运行,则它经过时必须要留下一道可以探测的光迹,虽然实验室里还从来没有发现过"快子",但从数学公式的推算看,"快子"是可能存在的,所以科学家们都希望能快些捕捉到"快子"。当然,快子的存在从未有任何直接或间接证据。总之,超光速之谜是令人神往的。

我不爱谈学术和科技了我只想帮帮和我一样可怜的人

是错觉

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