物理问题

一、哪条物理学定律限制了超光速的存在？
讨论1 从相对论公式来说，超光速和低于光速是对称的，也就是说，从理论上来说，超光速这件事本身并不违反相对论，只不过不能跨过光锥而已
也就是原来低于光速的粒子，不能变得超光速；原来超光速的粒子，不能变得低于光速
但是，从物理实现上来说，超光速的存在会被能量的budget所禁戒掉
比如说，我们生活在一个低于光速的环境中，因此，在我们已知的各种物质形态中，找不到超光速的例子再比如快子，如果我们承认“能量越低越稳定”这一条的话，超光速粒子的场的真空是不稳定的
因为随着能量的损失，粒子会越跑越快，直到速度达到无穷大
而且，经典的快子也无法和低于光速的粒子发生相互作用
因为粒子能从类时空间通过穿越类空空间再穿越回来
违反因果律
讨论2 由相对论可知,当物体的速度接近光速时,质量会急剧增大,而要使质量很大的物体速度再继续增加,就需要很大的能量.现阶段是无法办到的.物理界一直在研究如何增大物体速度的方法.将来到底有没有可能使物体的速度到达光速,现在还依然是个问号?需要长期的研究.
二、实现时间旅行的两种方式
1·改变物体运动速度
先看看著名的“双生子佯谬”：假定Sally和Sam是双胞胎，Sally搭乘一艘飞船以高速驶向附近的一颗恒星去旅行，然后折返飞回地球，而Sam只呆在家里。

对于Sally而言，旅行大约持续了一年，但当她返回到地球并跨出宇宙飞船时，她发现地球上已经过去了10年，现在她的兄弟比她大九岁。

尽管他们在同一天出生，可是Sally和Sam是不再具有相同的年龄。

这个例子说明了一类有限的时间旅行。

实际上，Sally已经跳跃到了九年后的地球的未来。

但是现实中，人能承受接近光速的速度吗？就算能又用什么动力装置推动呢
2·改变物体周围引力场强度
既然第一种方法很难实现，为何不去考虑第二种方法，通过改变物体周围引力来使该物体进行时间旅行呢。

一种不需要自身运动却可以进行时空穿梭，看上去像镜花水月，但请仔细想一下，如果能制造出一台机器，这台机器可以改变一个物体周围的引力场强度，通过改变你周围的环境，就不许要你运动，也可以让你进行时空旅行了。

制造虫洞时间机器的三个步骤
·第一步：寻找或建立一个虫洞
开辟一个隧道用来连接太空中两个不同的区域。

大型虫洞可能天然地存在于外太空中，是宇宙大爆炸的遗留物。

若事实并非如此，我们就需要粒子加速器。

它可以再造出宇宙大爆炸约一微秒钟后的等离子体状态，制造虚拟“虫洞”。

日内瓦欧洲核子中心的对撞机是最著名的。

·第二步：使虫洞稳定下来
注入利用所谓的Casimir效应由量子产生的负能量，虫洞便允许信号和物体安全地穿越它。

负能量会抵制虫洞坍缩为密度无穷大或接近无穷大的一点的趋势。

换句话说，它阻止了虫洞演变成黑洞。

第三步：牵引虫洞
一艘具有高度先进技术的太空船将虫洞的入口互相分离开。

一个入口可能被安置在中子星表面，那是一颗拥有强大引力场、极度致密的恒星。

强烈的引力使得时间变慢。

因为在虫洞的另一个入口处，时间流逝得更快，结果这两个入口不但在空间内而且在时间上都被分离开了。

关于时间旅行引发的因果逻辑悖论思考
·质疑一：外祖母佯谬
如果一个人真的返回过去，并且在其母亲怀他之前就杀死了他的外祖母，那么这个跨时间旅行者本人还会不会存在呢？
·质疑二：到底是谁的功劳
2050年的一位数学教授受好奇心的驱使前往2060年旅行，在他所在学校的图书馆里，他发现了一个爱因斯坦方程式令人惊奇的解法，这个解法刊登在《科学世界》上，作者是一名年轻的女学生。

对这一发现激动不已的教授回到2050年，寻找那位女学生，结果在一年级的学生中找到了她，教授向她描述了那个方程式的解法。

那么到底这个解法是谁的功劳呢？·解决方案一：多重平行宇宙理论
对于“外祖母谬论”，现今最受物理学界所推崇的解决方案是“多重宇宙”理论——世界不是只有一个，而是有许多平行的世界。

1957年物理学家HughEverett根据量子力学提出“多重世界理论”，认为宇宙从“大爆炸”开始的演化过程上，如分叉路般不断地分裂为二，歧异点是某件关键事件引起的量子转移，而分出的世界便产生差异，成为多重“平行世界”或“等次元宇宙”。

·解决方案二：年代学保护猜想
剑桥大学的史蒂芬·霍金提出一个“年代学保护猜想”，这将宣布因果环的失效。

众所周知，由于相对论容许因果环存在，年代学保护需要引入某一其他因素进行调解，以防止旅行到过去的情况发生。

这一因素可能是什么呢？一个提议是量子过程会解决这项难题。

时间机器的存在将允许粒子循环进入它们的过去。

计算结果暗示了随即发生的扰动将会自行增强，从中造成能量逃逸的浪涌可导致虫洞崩溃。

三、两朵乌云
第一朵乌云——迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭
人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。

太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。

光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质―“以太”。

最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。

亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素，“以太”。

牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播呢？为了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。

后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。

光和引力一样，是由“以太”传播的。

他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。

19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。

“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又具有机械力学的性质，它是绝对静止的参考系，一切运动都相对于它进行。

这样，电磁理论因牛顿力学取得协调一致。

“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。

但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。

这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。

为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克耳逊（A．A．Michalson，1852－1931）与美国化学家、物理学家莫雷（E．W．Morley,1838－1923）合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验：“迈克耳逊－莫雷实验”，即“以太漂移”实验。

实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。

因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。

由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。

迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。

他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。

如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。

经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。

第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”
在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。

颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80％左右。

所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体。

真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。

因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。

19世纪末，卢梅尔（Lummer 1860－1925）等人的著名实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。

从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。

怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。

前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。

例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。

英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。

但是，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。

所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。

它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。