有些景象彷彿打破了光速的限定

大天然總是不按照我們的志願來開展變革，當實驗去明白天然景象時，我們經常被物理學定律所限定。這會使我們打退堂鼓？完全不會。哄騙我們的智慧本領，我們能夠變通一下物理學定律，乃至用一個定律去克制另一個定律。接招吧，宇宙！下面我們舉一些例子來談一談。

小於相對零度

界說溫度很簡單。火是熱的，冰是冷的，在冷熱之間配置一些距離就能夠了。

是什麼使得火比冰更熱呢？19世紀物理學家威廉?湯姆森，也稱為開爾文男爵一世，給出了答案。他把溫度與動能聯絡起來：在熱的系統中，粒子活動愈加猛烈，冷的則不猛烈。依據開爾文溫標，天然中最低的溫度將是粒子完全不活動的時候，這便是相對零度。由此看來，把一個系統降到相對零度以下是不可能的。

但是，科學家卻發明，開爾文溫標完全能夠降為負值，也便是說，負溫度能夠存在。這是怎樣回事呢？要是依據溫度的嚴厲界說，你就會發明溫度不但是依賴於粒子的平均動能，它還依賴於能量如何散布，即雜亂水平，或許稱為熵。詳細地說，一個系統的粒子數守恆和體積不變時，溫度與系統能量的變革成正比，與熵的變革成反比。通俗，系統的熵總是隨著能量添加而上升的，由於能量升高，粒子活動得就會劇烈，無序度就會添加。因而說，溫度是正的。

但是有些系統卻在能量到達肯定值時，熵的變革會變得十分小，而溫度與熵的變革成反比，這闡明此時的溫度非常之大，快靠近正無窮大了。但假如能量持續添加，其熵反而會減少，如許依據溫度界說，你得到的結果將帶個負號，也便是說它就具有了負溫度。因而說，具有負溫度的系統只是是比正無窮大溫度更熱的系統。因而說，到達負溫度的系統比其他任何具有正溫度的系統都要熱而不是冷，並且若和具有正溫度的系統相打仗，熱量會從負溫度系統轉移到正溫度系統內。

負溫度不斷只在理論中存在，直到2013年，來自德國的物理學家哄騙激光駕馭原子，勝利使得這些原子具有了負溫度。

固然這的確有點詐騙性。相對零度依然代表著一個系統可具有的最低能量，只是開爾文溫標並不總能表達這一點。

跳動在量子禁忌之地

泡利不相容原理，從名字上看它可能在制止某些事變的發作，但的確它很緊張：它使得平凡的物質為啥會如許。這個原理是奧地利物理學家沃爾夫岡?泡利在1925年提出的，說的是原子中不容許有兩個量子形態完全相同的電子。如許，原子中電子不是輕易地擁堵在一同，而會構成一個有紀律的散布結構，這可表明為什麼具有差別數目電子的原子具有差別的本質。沒有泡利不相容原理，種種化學元素就變得沒有區別了。

這個原理乃至能夠使用到天體上。宇宙中十分緻密的天體，比方白矮星，之因而沒有在本身的引力下持續坍縮，便是泡利不相容原理制止了電子完全擠到一同。別的這個原理不但是實用於電子，而是實用於組成全部平凡物質的粒子，比方中子、質子等，如許的粒子統稱為費米子。相同，宇宙中的中子星沒有持續坍縮，是由於泡利不相容原理制止了中子完全擠到一同。

看起來要衝破這種原理，得需求極度的狀況。但是在2003年，來自美國科羅拉多大學的女科學家德博拉?金和她的同事發明，在溫度很低的狀況下，泡利不相容原理也會變得不靈。當溫度很低時，兩個費米子能夠結合併一個具有玻色子本質的「費米子對」。而玻色子，比方光子是不遵照泡利不相容原理的。因而這些費米子對都能夠進入相同的量子形態，構成「費米子冷凝物」。因而說這時泡利不相容原理就不再實用。

德博拉?金製成了一個包含40個鉀原子的費米子冷凝物，它們被冷卻到比相對零度剛超過一點時的溫度，然後讓它們在磁場下結成對。雖然這時的費米子冷凝物不遵照泡利不相容原理，只是假如你把費米子對拆開的話，它們還會遵照泡利不相容原理。

壓榨不定奪性

1927年，德國物理學家維爾納?海森堡提出了聞名的不定奪性原理，以為粒子的地位與動量不行同時被定奪。粒子地位的不定奪性越小，其動量的不定奪性就越大；反之亦然。相似地，粒子能量的不定奪性越小，則與描繪粒子相干的時間參量的不定奪性就越大；反之亦然。

雖然這叫做不定奪性原理，但是我們能夠哄騙它計划出準確的丈量儀器。比方丈量引力波的儀器。引力波是愛因斯坦廣義相對論的緊張預言之一，它的確便是時空本身的蕩漾。要想檢測到引力波，我們能夠讓激光在相距很遠的鏡子之間來回穿行，引力波通過期，會惹起這裡時空的改動，進而影響激光的途徑。檢測到這種變革，我們就能夠以為檢測到了引力波。

有些人以為，由於引力波可能十分薄弱，想要檢測到這種變革，那麼可能會遭到不定奪性原理的影響。但現實上，這裡有一個破綻。不定奪性原理說，我們曉得粒子的一個本質越多，那麼曉得另一個本質就越少。為了檢測到引力波，我們需求儘可能曉得撞到鏡子上的光子有幾多（的確便是能量的幾多），那麼依據能量與時間的不定奪關聯，我們只需求把光子抵達鏡子的時間變得愈加不定奪，那麼撞到鏡子上的光子的幾多就變得愈加定奪了，如許檢測引力波的儀器的準確度就會大大提拔。位於德國的GEO600引力波探測儀便是哄騙這種思緒不斷進步檢測精度的。

這裡另有一個困難，引力波惹起的變革很薄弱，物理學家得想盡辦法掃除全部攪擾。此中天下到處的地動，都市振動鏡子，發生的攪擾完全能夠掩蓋掉任何信號。雖然接納種種花招，但是低於1赫茲的振動很難去除。這意味著那些低頻的引力波很難探測到。

獨一可行的辦法便是把引力波探測器放到太空中。歐洲航天局方案在2034年把被稱為eLISA的引力波探測器放到太空中。eLISA由3個衛星組成，把它們擺放成等邊三角形並圍繞太陽活動。每一個衛星都市向附近發射激光束，以此來丈量引力波惹起的時空變革。三角形的每一邊都長達100萬千米，這足以探測到很多在地球上探測不到的引力波。比方，大質量黑洞的兼并，不管發作在宇宙那邊，eLISA都將會探測到。

逾越光速的實驗

愛因斯坦的相對論表明，沒有任何工具活動的速率能夠超越光速。假如一個有質量的粒子活動的速率小於光速，得需求無限多的能量才能加速到光速；但是依據相對論，假設有一個粒子活動的速率超越了光速，你也不可以把它的速率降到光速以下。這被稱為「光速屏蔽」，小於光速的一邊和大於光速的一邊是不雷同的。

?有些景象彷彿打破了光速的限定?。我們曉得，超音速飛機打破音障時會發生音爆，這是由於飛機的速率超越了音速。相同，宇宙射線在水中穿行時，也會發生相似的「光爆」，這闡明宇宙射線的活動速率超越了光速，但是這是在水中，它只是超越了水中的光速，並沒有超越真空中的光速――一個終極妨礙。

宇宙邊沿的星系闊別我們的速率應該超越了光速。但是這是由於宇宙本身不斷膨大惹起的，它並沒有真的違犯相對論。由於相對論中所指的速率，是部分地區下的速率。

但是有個工具看似真的逾越光速了，那便是量子糾紛景象。當你丈量糾紛粒子對中的一個，不管它們相距多遠，都市瞬時地影響到另一個粒子。這好像便是逾越了光速，但是假如你實驗哄騙它們來通報信息的話，你還會遭到光速的限定。

雖然我們能夠打破很多物理學定律的限定，但是彷彿是完全不可能――不管是粒子照舊信息――都無法打破光速的限定，逾越光速的實驗現在看來還沒有任何盼望。

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