10倍光速!科學家發現26億光年外的神秘天體,相對論將被改寫

早在一百多年前,愛因斯坦就以嚴密的邏輯論證了光速不變且不可超越,在這個基礎上推出了狹義相對論,由此奠定了他老人家的江湖地位,當然那會其實他還很年輕!不過更讓人無語的是十年後他以一人之力,將集眾人大成的狹義相對論擴充到了廣義相對論!

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至此愛因斯坦的成就再無人超越,而此後在科學界取得的成就,宏觀至宇宙的運動,微觀至量子力學,無一不遵循資訊傳遞不可能超過光速這一基本準則!但在上世紀七十年代的一個發現,直接讓光速不可超越立即陷入岌岌可危的狀態,因為天文學家們發現了類星體中讓人傻眼的超光速現象!

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類星體中的發現以及類星體中普遍存在的超光速現象

天文學家熟悉恆星生涯過程中誕生的所有天體,比如行星、恆星以及白矮星、中子星以及恆星的集合星系等,但在1960年,美國天文學家艾倫·桑德奇用5米口徑的光學望遠鏡在3C48天體中發現了奇怪的發射光譜,1963年荷蘭裔美國天文學家馬丁·施密特發現在3C273的光譜中具有與3C48類似的現象!

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哈勃空間望遠鏡的3C 273影像。右圖,一個日冕儀被用來阻擋類星體的光源,因而更容易探測到周圍的宿主星系。

經過仔細研究,他們發現這些發射光譜不過是氫光譜的巨大紅移造成,這表示該天體正在快速遠離,而根據紅移值計算,速度超過了4。7萬千米/秒,這個速度遠超當時已知星系!並且在發現的這些天體中的輻射的功率大到難以想象,達到了10^41W,是銀河系的數千倍!

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這種看上去像一顆恆星,但功率卻比星系還要大得多的天體,被天文學家稱為了類星體!

類星體中的超光速現象

3C 279是位於室女座的一個強大射電源,在天文界中同時在可見,無線電和X射線波段中劇變而聞名,它是天空中最亮的伽馬射線源之一,也是費米太空望遠鏡監視的伽馬射線天空中最明亮,變化最大的來源之一!比較有趣的是,它還被當成了EHT(拍攝黑洞照片的事件視界望遠鏡)的觀測校準源!

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事件視界望遠鏡(EHT)

1973年天文學家在觀測它噴流中的物質速度時,發現了明顯的超光速運動,在3C 279的兩個分離的輻射源中,測到了兩個團塊正以高達十倍光速的速度遠離類星體核心,儘管以光速遠離的相對運動也不可能超過光速,但即使按簡單粗暴的1/2計算,也是5倍光速了,差點讓天文學家電腦面前滾下來,因為光速被超越了!

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此後對類星體的深入觀測,發現了越來越多的類星體存在這樣的現象,在3C 273中的觀測發現,一條從其中心發射的噴流每年在天空移動距離達到了0。75毫微秒,按其紅移速度換算出來的距離達到了26億光年,那麼這0。75毫微秒的距離達到了9光年,也就是說3C 273中噴流的速度達到了9倍光速!

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相對論要被改寫了嗎?愛因斯坦的棺材板要壓不住了!

類星體中的超光速,是真的超過光速了嗎?

科學家對光速不可超越的信仰可比各種宗教信仰堅定多了,他們對於相對論有著無比的信心,因此認為這必定是哪裡出問題了,觀測裝置明顯不是,那麼就從這個超光速現象著手,最後發現這種奇特的現象是比較奇特的視超光速運動!

眼見未必為實的視超光速運動

出現這種視超光速運動的原因是光的傳播時間,光源接近時,稍後發出的光子走的路更短,因此彌補了延遲,但在觀測看來會以為是同一束光源,因此該物體的速度將會被遠遠高估,我們用如下的三角運動來計算下為什麼會觀測到遠超光速十倍的運動。

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三角函式示意超光速原理

3C 273的噴流並不是直接指向地球,而是存在一個角度,因此它的速度被遠遠高估,相反如果以反方向遠離地球,那麼它的速度將被低估!

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2017年4月,EHT在觀測M87黑洞之前的校準影象

所以,科學家仍然以嚴密的邏輯捍衛了光速不可超越這一理論,而且還發現了宇宙中速度觀測上的誤差!

延伸閱讀:超光速現象

自狹義相對論釋出以來,突破光速限制成了大家津津樂道的話題,儘管資訊傳遞無法超過光速沒有突破,但仍然有很多“合法”的超光速現象!

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德布羅意波

它指的並不是物體運動的真正速度,而是波的相速度,如下圖所示:綠點表示群速度,紅點表示相速度,在從左向右的運動中,兩次穿越群速度綠點,因此在這個波的運動中,相速度遠高於群速度,相波超越光速是“合法”的,但它不具備意義!

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切倫科夫輻射

這是非真空中的超光速現象,在核反應堆中常見,這是因為水中光速大約只有真空中的75?而裂變產生的輻射粒子超過了這個速度,因此會發出以短波長為主的一種電磁輻射,其特徵是藍色輝光,1934年由前蘇聯物理學家帕維爾·阿列克謝耶維奇·契倫科夫發現的,因此被命名為切倫科夫輻射。

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除了這些外還有宇宙膨脹以及量子糾纏等現象都超越了光速,不過它們同樣無法傳遞任何資訊,一旦到了實質性資訊傳遞的層次,光速仍然無法超越!

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