~:~知道人類想要實現“太空超光速”飛越黑洞嗎~:~

天文學中，超光速運動是一種外顯的超過光速的運動，出現在一些無線電銀河系、類星體中，最近也發現出現在一些稱作微類星體的星系類輻射源。這些來源被認為中心含有黑洞，因此造成了品質體以高速射出。超光速運動首次發現於1970年代早期，一開始被視為不利於類星體具有宇宙論尺度距離說法的一項證據。雖然一些天文物理學家仍為這論點辯解，多數人相信這個大於光速的外顯速度是一種光學錯覺(optical illusion)，並不包含任何與狹義相對論相違背的物理學。

對超光速運動現象的解釋相當簡單直接，即光行時間效應(light travel time effect)。想像一小團物質從銀河系(星系)中心出發，並且朝向你極快速地移動，幾乎是迎面而來。

當這團塊還在銀河中心時，它發出一些朝向你的光。在它移向你後(並且一點點偏向側邊)，並且又再次向你發光，這次的光會花上比較短的時間向你行進，以其離你較近。如果你忽略了這項事實，那麼你就會低估了真正的時間間隔(就你的慣性參考系而言)，因此你會高估速率。

換句話說，若你要計算團塊移動多快，卻假設它移動方向垂直於你與銀河間的連接線，那麼你就會低估時間間隔，因為你忽略了事實上它也朝你移動，而得到數倍於光速的速率。這現象常見於兩個反向的噴流，一道遠離我們，一道接近我們。若這兩道輻射源，我們都觀測多普勒位移，則速度與距離可以被決定，不受其他觀察項目的影響。

在1966年，馬丁·裏斯(Martin Rees)預測了：一物體以相對論性速度以及適切方向移動時，對遠方觀察者而言看起來可能像是有遠大於光速的橫向速度。幾年後(於1970年)，這樣的輻射源真的被發現了，形式為非常遠處的天文學無線電頻輻射源，例如無線電銀河系與類星體。它們被稱為超光速輻射源。

這項發現是一項新技術的驚人結果，此技術稱為特長基線干涉儀(Very Long Baseline Interferometry)，允許小於毫角秒的位置決定，並可用在天空中位置變化的決定；這種變化稱為自行(又稱本動，proper motion)，為期通常是好幾年。外顯速度的得到是透過將觀察到的自行與距離相乘，可以上達6倍光速。

在1994年，在取得一項銀河速率紀錄的同時，發現了本銀河系的超光速輻射源——宇宙x射線源GRS1915+105。團塊的膨脹時間相對短得許多。許多個別的團塊被偵測到其成對膨脹，一周內常可達0.5角秒。因為與類星體相類比，這樣的輻射源被稱為微類星體。超光速(faster-than-light FTL或稱superluminality)會成為一個討論題目，源自於相對論中對於局域物體不可超過真空中光速c的推論限制，光速成為許多場合下速率的上限值。在此之前的牛頓力學並未對超光速的速度作出限制。

而在相對論中，運動速度和物體的其他性質，如品質甚至它所在參考系的時間流逝等，密切相關，速度低於（真空中）光速的物體如果要加速達到光速，其品質會增長到無窮大因而需要無窮大的能量，而且它所感受到的時間流逝甚至會停止（如果超過光速則會出現“時間倒流”），所以理論上來說達到或超過光速是不可能的（至於光子，那是因為它們永遠處於光速，而不是從低於光速增加到光速）。但也因此使得物理學家（以及普通大眾）對於一些“看似”超光速的物理現象特別感興趣。

2000年7月，由於英國《自然》（Nature）雜誌發表了一篇關於“超光速”實驗的論文，引起了人們對超光速倒底是否存在的討論。其實對在介質中使光脈衝的群速度超過真空中光速c，科學家們早有研究，而Nature中報導的這個實驗就是實現了這種想法。但是這並非是人們想像的那種所謂違反因果律（或者相對論）的超光速，為了說明這個問題，讓我們看一看由華人科學家王力軍所做的這個實驗。

光脈衝是由不同頻率、振幅、相位的光波組成的波包，光脈衝的每個成分的速度稱為相速度，波包峰的速度稱為群速度。在真空中二者是相同的，但是在介質中如我們所知道的存在如下的群速度與介質。折射率的關係：vg = c / ng，ng= n+ω(dn/dω)顯然在一定的情況下（如反常色散很強的介質）可以出現負的群速度，此時，光脈衝在介質中傳播比真空中花的時間短，其差ΔT = (L/v) - (L/c)達到絕對值足夠大時就可以觀察到“超光速”現象，即“光脈衝峰值進入介質以前，在另一邊已經有脈衝峰出射了”。

那麼這種超光速是不是違背因果率呢？我們仔細考查王的實驗就會發現，出射光脈衝雖然是在入射脈衝峰值進入介質之前出現的，但在這之前入射脈衝的前沿早已進入介質了，因此出射脈衝可以看作是由入射脈衝前沿與介質相互作用產生的。其實王的實驗重要意義正在於實現了可觀測的負群速度的這一現象，而不是像媒體炒作的那樣發現了什麼“超光速”，負的群速度在這裏就不能理解為光的速度了，它也不是能量傳輸的速度。

當然，這一實驗本身就說明我們人類對光的認識又前進了一步。對這個實驗的解釋只憑折射率與群速度的關係這個公式是遠遠不夠的，這其中包含了量子干涉的效應，涉及到對光的本質的認識，揭開蒙在“超光速實驗”頭上的面紗，仍然是科學家們奮鬥的目標。很多人在瞭解了這個實驗後就會想到能否用這種“超光速”效應來傳遞資訊，在王的實驗中，“超光速”的脈衝不能攜帶有用的資訊，因此也就無從談起資訊的超光速傳遞，同樣能量的超光速傳輸也是不行的。

與超光速實驗具有相同轟動效應的是另一種“超光速”現象quantum teleportation即量子超空間傳輸（或量子隱形傳態），這個奇妙的現象因其與量子資訊傳遞及量子電腦的實現有密切聯繫而引起人們的關注。所謂超空間，就是量子態的傳輸不是在我們通常的空間進行，因此就不會受光速極限的制約，暫態地使量子態從甲地傳輸到乙地（實際上是甲地粒子的量子態資訊被提取暫態地在乙地粒子上再現），這種量子資訊的傳遞是不需要時間的，是真正意義的超光速（也可理解為超距作用）。

在量子超空間傳輸的過程中，遵循量子不可克隆定律，通過量子糾纏態使甲乙粒子發生關聯，量子態的確定通過量子測量來進行，因此當甲粒子的量子態被探測後甲乙兩粒子暫態塌縮到各自的本征態，這時乙粒子的態就包含了甲粒子的資訊。這種資訊的傳遞是“超光速”的。

但是，如果一位觀測者想要馬上知道傳送的資訊是什麼，這是不可能的，因為此時粒子乙仍處於量子疊加態，對它的測量不能得到完全的資訊，我們必須知道對甲粒子採取了什麼測量，所以不得不通過現實的資訊傳送方式（如電話，網路等）告訴乙地的測量者甲粒子此時的狀態。最終，我們獲得資訊的速度還是不能超過光速！量子超空間傳輸的實驗已在1997年實現了。

以上兩個超光速的方案目前還只處於理論探討和實驗階段，離實用還有很遠的距離，而且這兩個問題都涉及到物理學的本質，實驗現象及其解釋都在爭論之中。關於全局超光速旅行的一個著名建議是利用蟲洞。蟲洞是彎曲時空中連接兩個地點的捷徑，從A地穿過蟲洞到達B地所需要的時間比光線從A地沿正常路徑傳播到B地所需要的時間還要短。蟲洞是經典廣義相對論的推論，但創造一個蟲洞需要改變時空的拓撲結構。這在量子引力論中是可能的。開一個蟲洞需要負能量區域，Misner和Thorn建議在大尺度上利用Casimir效應產生負能量區域。Visser建議使用宇宙弦。這些建議都近乎不切實際的瞎想。具有負能量的怪異物質可能根本就無法以他們所要求的形式存在。

Thorn發現如果能創造出蟲洞，就能利用它在時空中構造閉合的類時世界線，從而實現時間旅行。有人認為對量子力學的多重性(multiverse)解釋可以用來消除因果性悖論，即，如果你回到過去，歷史就會以與原來不同的方式發生。Hawking認為蟲洞是不穩定的，因而是無用的。但蟲洞對於思想實驗仍是一個富有成果的區域，可以用來澄清在已知的和建議的物理定律之下，什麼是可能的，什麼是不可能的。

據美國廣播公司(ABC)報道，物理學家認為，超光速飛行可能在理論上是可行的，但實際情況卻未必如此。美國兩名物理學家認為，他們已經找到如何在不違背物理學定律情況下實現超光速飛行的途徑。但壞消息是，我們可能不得不犧牲木星以體驗這種超級飛行。

貝勒大學物理學副教授傑拉爾德‧克利文(Gerald Cleaver)及其博士後研究員理查‧奧伯塞(Richard Obousy)，將物理學一些最難於捉摸的領域結合在一起——其中包括弦理論以及廣義相對論——制定了一項雄心勃勃的計劃，試圖讓《星際迷航》中展現的曲速飛行成為現實向前邁進一步。毫無疑問，克利文和奧伯塞的夢想成為現實的可能性微乎其微。

《星際迷航》係列影片的創作者永遠也無法解釋，“進取”號飛船如何以超過光速的速度在宇宙中穿行。如果人類希望探索銀河係的“後院”，打造超光速飛船是必須要取得的一項小小的成就，更不用說入主宇宙的遙遠區域了。

唯一的問題是，亞伯特‧愛因斯坦(Albert Einstein)曾經指出，超光速飛行是不可能實現的。克利文在接受採訪時表示：“物體擁有質量，無法以光速移動。根據愛因斯坦的著名方程式，隨著移動速度越來越快，物體的質量也會不斷增加。隨著移動速度接近光速，物體質量將變得無窮大。換句話說，一粒灰塵以光速飛行時將擁有無窮大的質量，此時此刻，需要借助無窮大的能量才能讓這粒灰塵以接近光速的速度移動。也就是說，我們最好將人類從“進取”號恒星飛船的乘客名單中刪除。

克利文和奧伯塞對1994年首先由墨西哥物理學家邁克爾‧埃爾庫比爾(Michael Alcubierre)提出的一項理論進行了擴展。他們表示，光速還不算特別快。埃爾庫比爾指出，我們不必考慮曲速飛行，星際航行真正需要的是打造一個“曲速泡”。根據埃爾庫比爾的理論，質量可能受限於愛因斯坦提出的計算公式，但在太空環境下未必會受到這種限制。

貝勒大學的兩名研究員認為，讓飛行器——例如“進取”號後方的空間膨脹同時壓縮前方的空間是可能辦到的，最終形成一個能夠以遠遠超過光速的速度穿過愛因斯坦所說的時空結構的氣泡。曲速泡內部的“進取”號會隨著曲速泡在太空中穿行高速前進，而飛船本身則保持靜止不動，因此避開了愛因斯坦提出的問題。克利文在加利福尼亞州(美國的衝浪中心)理工學院獲得博士學位，他非常喜歡用“衝浪”來形容這種超光速飛行。

如何打造這樣一個泡泡？由於這個問題，整件事情變得復雜起來。宇宙包括一切類型擁有質量的物體並且一直以超過光速的速度膨脹。克利文表示，自上世紀70年代以來，我們便已知道這一點。在大爆炸後的一瞬間，宇宙便在一個非常短暫的時間內開始以超光速向外擴張。根據弦理論(在探索有關世上萬物的一項可靠理論的物理學家中間非常流行)，在誕生後的第一秒，宇宙的體積從一個原子的核子的1.0 × 10-21大小膨脹成大約一個籃球。 “在此過程中，太空本身也正以超光速擴張。”

在加州理工學院，克利文曾在傳奇人物、弦理論領域領導者約翰‧施瓦茲(John Schwartz)的教導下攻讀學業。根據他的假設，利用正負暗能量部分復制最初幾秒的宇宙是可能做到的，暗能量據信是宇宙擴張背後的驅動力。具體做法是，將正能量置於“進取”號之後，將負能量置於前方，在兩種能量共同作用下，飛船便能夠以曲速飛行。克利文說：“飛船前方的空間以超光速萎縮，後方空間則以超光速膨脹，推動曲速泡以及內部的飛船，整個過程就像衝浪一樣。”

如何才能做到這一點呢？雖然還不能給出準確答案，但貝勒大學的兩位研究員提出的理論認為，只要擁有足夠能量，便有可能改變11次元空間。11次元空間是弦理論的關鍵組成部分，弦理論認為維度的數量遠遠超過我們在地球上看到的3個。克利文表示，借助於足夠的能量，“進取”號前後的時空維度至少可以讓曲速泡踏上徵程。他說：“所需要的初始能量可以與整顆木星的質量相提並論。如果能夠將木星轉換成能量，曲速泡便可進行發射。”

根據弦理論，為了穩定負責保持曲速泡朝數量無限多的其他宇宙前行的係統，飛船可能需要更多能量。(其他宇宙發出的光線仍需很久才能到達地球，因此並未被我們觀察到。)克利文承認，他並不希望看到這種事情發生。“根據弦理論，埃爾庫比爾效應可以成為現實，這僅僅是在理論上對埃爾庫比爾效應如何成為現實進行討論。”

值得關注的是，克利文和奧伯塞還有更多問題需要面對。對於弦理論應否被視為一項受人尊重的科學，科學家一直存在爭議。很多科學家認為，弦理論無法加以證明或者反駁，因此不能被視為一項科學。其他科學家則寄希望於未來一些造價異常昂貴的機器，認為它們可能擔負起證明或者駁斥這一理論的使命。退一步講，如果“進取”號飛船一直在非常稀薄的空氣中航行，即使能夠以接近光速的速度飛行，它也需要4年多時間才能抵達太陽係外距離我們最近的恒星，而造訪旗下行星存在生命的數量眾多的恒星則需要數百年之久。

我們必須意識到，《星際迷航》畢竟只是一部電影，所呈現的東西並沒有必要建立在事實基礎之上。除此之外，我們還要面對一個不可回避的問題，即究竟有多少木星可以讓我們來犧牲？

光速可變理論或可變光速理論(variable speed of light,VSL)描述真空中光速—標示作c—可能基於一些理由而並非常數。在凝態物理中的多數場合，光在介質中行進，其具有一個較低的速度。量子場論的一些計算中的虛光子也可能以不一樣的速度於短距離中行進；不過這不表示任何超光速的行進。雖然通常認為讓有量綱物理量如光速，隨著時間改變是無法有意義（此情形相對於無量綱數如精細結構常數），然而在物理宇宙學中一些帶有臆測性與爭議性的理論中，光速可以透過改變狹義相對論基本假設而跟著變動。

該理論最初是在1990年代早期，由加拿大科學家約翰·莫菲特(John Moffat)首先提出，但在物理學界並未廣為所知；後由出身於葡萄牙而後來於英國工作的科學家喬奧·馬古悠與同事在1997年獨立提出後，漸漸引起物理學界的注意。

光子除非是在真空中，否則是以少於c的速度移動。如此導致了幾個重要的效應，例如色散。凝態介質如氣相、液相與固相等狀態中的光速值下降可達一定程度。光的群速度可以降到任一數值，雖然這僅針對一任意慢（低帶寬）的訊號。在一些特別不尋常的情況下，也可以準備出光的群速度或相速度超過c的實驗。既然這些速度定義是數學上的架構，這樣的超光速現象不代表跟因果律或狹義相對論有所矛盾，其中沒有任何資訊或能量以超過c的速度傳遞。

利用一種通常被用在警用測速器中的“雷達槍”技術，科學家們已經發現了三個分離的高溫鐵質氣體團塊正以每秒3萬公里的速度，即光速的十分之一，圍繞著一個黑洞高速旋轉。這項觀測是由歐洲航天局的XMM-牛頓天文臺（XMM-Newton observatory）完成的，標誌著科學家們首次跟蹤到被扯碎物質的分離團塊圍繞著黑洞旋轉的整個過程。觀測給出了一個在黑洞研究中至關重要，卻又長期無法測得的物理量——軌道週期。知道了這些，科學家們就能測量黑洞的品質以及其他一些長期無法測准的性質。

哥達德太空飛行中心的簡·特納博士（Jane Turner）和牛津大學的蘭斯·米勒博士（Lance Miller）2009年10月22日在聖地牙哥舉行的美國天文學會年會的新聞發佈會上公佈了這些結果。“多年以來，我們只能看見由大品質黑洞引起的整體運動，即驚人的傾泄而出的光線，”特納說。“我們無法跟蹤其中的細節。現在，利用XMM-牛頓，我們能夠過濾所有光線，找出其中的模式，以前所未有的清晰程度揭示出黑洞的資訊。”

米勒提到，如果將黑洞置於我們的太陽系中，它的邊緣將延伸到水星軌道附近。被檢測到的三個物質團塊則在木星軌道附近運行。它們以飛快的速度，每27小時就圍繞黑洞旋轉一周（相比之下，木星圍繞太陽一周需要12年）。黑洞是空間的一個區域，其中的引力足以阻止所有物質和光線從中逃離。科學家們所看到的並不是黑洞本身，而是黑洞附近的物質所發出的光線。這些物質在掉入黑洞的過程中被加熱到極高的溫度。

特納的研究小組觀測了著名星系馬卡良 766（Markarian 766），它位於後發座中，距我們1.7億光年。馬卡良 766中的黑洞相對較小，但卻非常活躍。它的品質僅是太陽的幾百萬倍；其他的星系中心黑洞通常都超過1億太陽品質。物質就像排入下水道的水一樣，盤旋著落入黑洞之中，形成了被科學家們稱之為吸積盤的結構。當中央黑洞發出的磁力線與吸積盤上的一些區域發生作用時，盤上就很可能會爆發出亮斑。

為了測量這些亮斑的速度和黑洞的品質，科學家們使用了一種與測量多普勒位移有關的技術，與員警捕捉超速車手時使用的技術類似。當一個物體向我們靠近時，它發出的光子頻率或者能量就會增加。反之，當物質離我們而去時，能量就會降低。這被稱為“多普勒效應”，當警車呼嘯而過時，警笛的聲調變化也是類似的現象。如果它正在接近，那聲波的頻率就會增高，如果它正在遠離，頻率就會降低。

“我們認為我們是在一個略微傾斜的視角上觀測吸積盤的，因此我們發現這些來自於亮斑的光子能量會隨著它們圍繞黑洞的運動而起起落落，”米勒說。通過研究這些來自於團塊的光子能量的起伏模式，科學家們還能夠測定黑洞的品質以及吸積盤的視角。利用已知的品質和軌道週期，特納和她的研究小組使用相對簡單的牛頓物理就能夠測定這些團塊的速度。

有兩個因素使得這些測量成為可能。一是XMM-牛頓在持續了將近27小時的長時間觀測中，捕捉到了獨特的持久穩定的亮斑。同樣重要的是XMM-牛頓空前的集光能力，使得科學家們可以看見來自團塊的能量是如何隨時間變化的。

特納說，這項觀測證實了XMM-Newton的一項初步結果。英國劍橋天文研究所岩澤一司（Kazushi Iwasawa）領導的歐洲科研組在2004年9月宣佈了那項結果，認為現有的X射線天文臺已經有能力測量出諸如軌道週期之類的細節了。這兩項結果表明，只要有足夠長的觀測時間，科學家們現在已經有能力對黑洞進行仔細的測量，甚至對強引力場中的廣義相對論進行檢驗。

天文學家在2009年10月間表示，他們在地球附近的宇宙穹蒼之中發現三個巨型黑洞，雖然黑洞是身處在銀河系之中，但天文學家質疑，黑洞是否比銀河系更早誕生。三個新發現的超級巨型黑洞，位於距離地球五千至一萬光年的室女及白羊星座。雖然一光年相等於大約十萬億公里，但以宇宙天體的標準而言，就等於是左鄰右裏而已。

地球與黑洞靠近也非不尋常，不尋常是黑洞的巨大程度，這三個黑洞，每個的品質是我們太陽的五千萬至一億倍，這在黑洞之中較為少見，已知的同類“巨無霸”黑洞只有二十個，其他大部分的黑洞，品質僅為太陽的數倍。密歇根州大學的研究員裏奇史通表示，這三個大型黑洞是類星體的殘餘物質，類星體是極光量的物體，在火星般大的範圍內，光照程度等於一億個太陽。

裏奇史通指出，類星體在銀河系的大部分星球形成前便已出現，如果三個巨型黑洞是來自類星體，它們可能在類星體年代的高峰期便已出現，亦即宇宙大約有十億年歷史的時期，那麼，究竟先有銀河系抑或先有黑洞，便成為天文學家下一個需要研究的問題。

天文學家也在當時宣稱，他們第一次發現了物質被吸入黑洞的直接證據。他們說，物質以每小時1000多萬公里的速度被吸入黑洞—一個密度極高、引力極強、可以將包括光線在內的所有物質吞噬的區域。

美國國家航空和航天局位於馬里蘭州格林灣爾特的戈達德航太中心的研究小組，在《天體物理學雜誌》上發表文章指出，他們正在觀測的黑洞位於一個距地球1億光年的星系中。黑洞內部的引力非常強大，任何物體—甚至包括光線在內都無法逃逸。一些黑洞是由塌縮的恒星形成的，但是另一些黑洞卻擁有“特大品質”，其中包含的物質相當於將100萬到10億個太陽壓縮到一個非常小的區域中。

迄今為止，科學家們“看見”這些黑洞的唯一方法是觀測吸積盤—環繞在黑洞周圍的物質在被吸入黑洞內部時形成的旋渦。戈達德航太中心的天體物理學家保羅·南德拉正在觀測被命名為NGC3516的星系，據信這個星系的核心部分存在著一個特大品質的黑洞。

類星體是明亮的，他們是黑洞家族中年輕的成員，當他們吞食物體時會發射出閃耀的光芒。他們的兄長位於浩瀚銀河的中央,被認為是比較弱小和髒亂的食者，因為在他們被消耗之前，他們會噴射出大量雜亂的東西。現在，根據(美國)國家航空和宇宙航行局X射線天文台(NASA's Chandra X-ray Observatory)一份新的調查揭示，這些黑洞與類星體一樣活躍，這也可能是為什麼恒星形成減速的原因。

斯坦福大學的天文學家史蒂夫.艾倫(Steve Allen)和馬里蘭大學的克裏斯多佛.雷諾茲(Christopher Reynolds)，隨同一個國際小組，研究了安置在鄰近星系的九個老的黑洞，這些老的黑洞形成于5000萬到4億光年之前。他們拾取了這些特殊的樣本，因為他們似乎發射出很少的放射線，儘管還有許多因為燃料產生的引力使得氣體圍繞著它們。雷諾茲說：“它們引起我們的注意力，因為他們太讓人討厭了。”

儘管這些黑洞很少產生放射光,但他們卻噴射出高能量粒子,這些粒子以光的90%的速度移動,足以切開圍繞在他們周圍的氣體。科學家們通過直接觀察這些泡沫和全部可利用氣體，能夠測定出這些銀河的發動機是如何把物質轉化為能量的。艾倫說：“從技術層面來講，這些黑洞從他們捕獲的氣體中，轉化了2.5%的靜止品質能量為放射能量，相當於萬億瓦特。”

這意味著所以有黑洞不管是新的還是舊的，都在高效率的釋放能量。Reynolds寫道：“看上去他們從來沒有失去功效，只是他們在不同的階段用用不同的方法釋放能量罷了。”這項研究顛覆了老的黑沿如何工作的理論模式，並暗示著高能量噴射可能也會導致銀河氣體持續加熱，延緩了新恒星的形成，也限制了大量星系的生長。雷諾茲補充到：“雖然我們還不是很明確知道產生這些噴射物的機械裝置，但我們發現：磁場線互相作用在某种程度上就像一个巨大的吊索橡皮筋把吸入的接踵而来的物体再抛出到黑洞外去。”