人们常说,没有什么能比光更快。但为什么呢?是不是因为爱因斯坦这么说过?
其实,爱因斯坦的相对论说得略有不同:该理论说E=mc2,其中m被称为动质量,它并非粒子的实际质量,而是m=γm0,是实际质量(也被称为“静止质量”)与伽马系数γ的乘积。每当人们试图给粒子加速,让其超过光速时,这个系数就会导致问题出现。
无穷大的能量:达到光的屏障
你看,这个伽马系数的值取决于粒子实际的移动速度。想象一个粒子在空间中移动,它的速度是光速的一部分,比如比率为β。如果β为0,那它的速度就是0,那么该粒子就是静止的。如果β为1,粒子的运动速度就刚巧与光速相等。在公式表达中,系数γ的值只取决于β,即:
如果你对公式有些了解,你就能看出来β从0变为1时会发生什么:伽马系数,即能量,会越来越大。换句话说:要想让一个粒子从静止质量加速到光速,需要的能量是无穷大的!这根本没有可能做到!
众所周知,光子是个例外(如果世上存在其他没有质量的粒子,那么它们也可算是例外,不过我们还不知道有这样的粒子)。它们总是以光速飞行,永远不会减少或增加到任何其他速度。
快子:永远比光速快
但是,从理论上讲,还有另一种可能:如果一个粒子的速度大于光速,那么β的值将大于1。那就意味着,在我们的γ的公式中,平方根下会是一个负数。而负数的平方根是一个虚数!然而,这种奇怪的粒子仍然可以有数值明确的能量——如果它的质量也是虚数的话。质量的虚单位和平方根会相互抵消,一切问题就都迎刃而解了,至少从数学的角度来看是这样。
这种质量为虚数而且比光速快的粒子就叫快子。严格来说,爱因斯坦的狭义相对论中并没有禁止这种粒子的存在,但我们一开始就要说明一点:从未有人见过这样的家伙!
快子反电话:给过去的你打电话
按照爱因斯坦的理论,快子具有一些非常奇怪的特性。首先,最重要的一点当然是——它的传播速度超过光速。这本身就会带来各种问题。它会违反因果律,而因果律是相对论和量子理论的核心概念,确保了原因与结果相继发生。
然而,有了快子,这条规律就会打破了。虽然你不能利用它直接穿越时空,但可以做一些几乎同样厉害的事情,那就是把信息传送到过去。这其实非常简单:只要将一束用快子编码的信息发送给一个正在飞速远离你的同事就行了。唯一需要他做的,就是用同样类型的快子把信息回传给你。用狭义相对论快速计算一下,你就会发现,信息会在你发走之前到达你的实验室。
原因是,你发送信息和你的朋友接收信息这两个事件是“类空间隔”的。对于这样的两个事件,你不能说其中一个一定会先于另一个事件发生——这得看那个要判断这件事的观察者如何移动。
知道了这一点,相比之下快子的其他奇怪特性就显得平淡无奇了:要把快子的速度降低到光速是不可能的。事实上,它的能量越少,运动速度就越快。要使一个快子运行速度要多快有多快,突破任何限制,是非常容易的。但要把它减慢到光速,你需要无穷大的能量。
所以,光速是一个终极障碍——想要从哪边突破都不可能!
量子效应:因果律得到了修复……
现在,所有情况都没有把量子理论考虑进去。如果你留意一下这样的粒子带来什么样的量子效应,你就会发现情况发生了巨大的变化!
首先,在量子理论中,粒子只是在量子场中晃动(非常宽泛地讲)。粒子的质量之类的属性将直接转化为场的刚度,要想让它晃动可太容易了!
如果你仔细计算,就会发现,具有假想质量的量子场被激发的振动不会以超过光速的速度传播。其量子场中波纹的传播方式和具有普通的真实质量的场一样。
……但是宇宙立刻内爆了!
然而,场内会发生一些不同的灾难性的事情。量子场中波纹的能量取决于质量的平方。现在如果因为场的质量是虚的,质量变成了负的,那么我们就可以通过凭空创造出一个快子来获得能量!粒子物理学中有一条重要的规则,那就是所有能发生的事情终将发生——而且这个过程释放的能量越多,它发生的可能性就越大。
因此,如果有一个具有虚质量的量子场,而且没有其他任何东西可以阻止它,那么就会有大量快子接连凭空出现——而且越来越多,越来越多,同时它们也会释放出越来越多的能量,形成永不止歇的洪流。整个宇宙将立即被越来越多的快子充满。这个过程被称为“快子凝聚”,是我们都不想看到的事情,因为这么多粒子会让宇宙在瞬间坍缩。这就是没有(自由)快子的原因。
顺便说一下,弦理论最初成形是在26个维度中定义的,其中弦摆振的一些方式导致产生的粒子具有虚质量,因此这个版本的弦理论很快就被抛弃了——快子凝聚是任何理论都不应该预测的,尽管值得尊敬!
不凝聚的希格斯粒子就是快子!
然而,我们有个例外:希格斯粒子!严格来说,希格斯粒子属于快子,因为在量子场的公式阐述中,它的质量是以虚数出现的。但为什么宇宙还没有内爆呢?好吧,希格斯场的公式中,在质量项之外还有一项——如果希格斯粒子的密度达到了一定程度,它就的确无法轻易产生更多能量了。等密度到达了最大值,希格斯粒子就会发生快子凝聚!这就是为什么希格斯场充满了整个宇宙,赋予了所有粒子物质的原因:宇宙中充满了大量的希格斯粒子,在宇宙诞生之初就在真空中凝聚了出来。
对了,现在人们所说的“希格斯粒子的质量”并不是公式中的虚质量项,而是已经发现的126GeV左右的希格斯粒子的(正)质量。从这一项我们可以得知,现在宇宙已经被希格斯粒子填满了,要产生新的希格斯粒子有多么困难!