顺着手电筒的光柱往上爬,关掉开关,人会掉下来吗?
摁亮一只手电筒,顺着它投出的光柱往上爬,爬到半空,我“啪”地一关开关,你会不会摔下来?
两个醉汉,一束光。物理学最烧脑的一连串问题,就从这句抬杠开始。
这问题不是我想的。早些年相声大师侯宝林有个经典段子《醉酒》,两个醉汉互相吹牛,一个摁亮手电挑衅:“你顺着我这柱子爬上去呀!”另一个也不服软:“你别来这一套,我能爬上去,可我爬到半道,你一关电门我掉下来怎么办?”
当年观众笑得前仰后合,但这俩醉汉其实一把揪出了现代物理最烧脑的一串问题,咱们今天顺着这个手电筒的光柱捋一捋。
第一个问题:光柱,到底能不能爬?
大家的答案肯定是,不能。可为什么呢?
因为光是“没有质量的”。光子的静止质量为零,所以它停不下来,天生只能以光速狂奔。但它虽然轻若虚无,却实打实地带着能量和动量。只要撞上物体,被吸收也好,被反射也罢,都会顺手推它一把。这股力,就是光压。
手电筒的光压很小,小到你根本感觉不到。但要是换成强激光,可就完全不同了。霍金生前力推的“突破摄星”计划,打的就是这个主意:用地面激光的光压当“风”,吹动一张邮票大小的微型飞船帆,把它加速到光速的五分之一,送去比邻星系。
所以,如果你有一只强光手电筒,光强到能让光压扛住那位老兄的体重,而他又恰好穿了一身“防光”装备,不至于被烤熟,那他真有可能顺着光柱爬上去。
这一局,第二个醉汉赢。
爬上光柱了,这两位还在吵。
第二个问题:一关电门,他就掉下来吗?
会,但不是立刻。
假设他已经爬到了30万千米的高空(怎么爬上去的你别问我了)。这时你关掉电门,他还能稳稳悬住整整一秒。因为关开关的那一刻,光源最后发出的一束光,还需要一秒才能追上他,因为光速正好是每秒30万千米。这一秒内,撑住他的光压还在,人还能挂得住;一秒一到,光压消散,“哎呀”一声,自由落体了。
看来,拒绝爬光柱,是这位老兄一次明智的科学判断。
爬上30万千米,光没了,人还能续一秒。
把这个道理放大到宇宙,事情就变得惊心动魄了。
如果一颗离我们13亿光年的天体毁灭了,我们要等13亿年才能察觉。因为它在毁灭前最后一刻发出的光,会继续在宇宙中孤独穿行13亿年,才能终于抵达地球。光是这样,任何辐射、信息、信号都是这样:一旦离开产生它的源头,它就和源头两清了,不会因为源头死了而跟着陪葬。(当然,路上它可能被吸收,或者转化成别的物质和能量,那是另一码事。)
为什么偏偏是“13亿光年”?那是因为2016年2月11日,美国 LIGO 宣布人类首次直接探测到引力波,那两个制造出信号的黑洞,离地球正好约13亿光年。我们捕捉到的那声“宇宙啁啾”,是13亿年前两个黑洞相互旋绕,最终轰然并合时发出的,而这个过程只持续了不到一秒。也就是说,信号刚诞生,源头就没了;可它依旧独自又走了13亿年,才撞进我们的仪器。这项发现,2017年直接捧回了诺贝尔物理学奖。
LIGO 观察到的引力波,13亿年才抵达地球。我们看见的每一颗星,都是一封迟到的信。
这就是搞天文的人的工作常态。我们观测到的绝大多数遥远天体,信号发出时,那个源头早已不在,超新星早爆完了,伽马射线暴早熄灭了,恒星也许已变成一颗白矮星。或者星体温度一变,辐射也换了模样。所以,虽然宇宙大爆炸发生在137亿年前,我们今天却仍能收到它“出生不久”发来的信息——那就是宇宙微波背景辐射。
说到底,天文学家们干的是宇宙考古。
还能钻的两个空子
光速有限,而且是常数,雷打不动。因此一个天体离我们越远,它的信号就越古老。原则上,我们永远无法“知道”远处宇宙“现在”在忙什么,只能建立一个演化的模型,用观测和理论去检验它,再让它替我们推演远方此刻的模样。
不过,有两种情况也许能“钻空子”。
一种是量子纠缠。假如远处天体产生了两个纠缠的光子,一个留在原地(比如被困在弯曲的时空里),另一个逃出来飞到了地球。我们在地球上测一测逃出来的这颗,假如理论又能告诉我们这对光子的纠缠性质,那原则上,我们就“知道”了远方那颗的状态,仿佛隔着整个宇宙偷看了一眼它的“现在”。
利用量子纠缠,可以间接窥探一眼宇宙中另外一个量子的“现在”状态。
另一种是虫洞,如果宇宙中真存在这种时空捷径,我们或许也能通过它,瞬间“看见”远方宇宙的现在。
更有学者大胆猜测:虫洞和量子纠缠,本质上可能是一回事的两个侧面。当然,这还只是假说,尚未被证实。
兜了一大圈,最后又回到了爱因斯坦。
看到这儿,你大概会一拍大腿:这不是科幻吗?《三体》里让地球人如临大敌的“智子”,靠的不正是量子纠缠?
对,也不完全对。小说可以浪漫,物理必须严谨:量子纠缠确实“诡异”到让爱因斯坦都称之为“幽灵般的超距作用”,但主流物理学认为,光靠纠缠并不能真正把信息超光速地传出去:两边得对上暗号,才作数。2022年,三位把量子纠缠从“幽灵”变成实验事实的物理学家,正因此拿到了诺贝尔物理学奖。至于纠缠与虫洞究竟是不是同一种东西(那个著名的“ER=EPR”猜想),至今仍是物理学家吵到拍桌子的问题之一。
但有一件事板上是确定的:量子纠缠和虫洞这两个最“科幻”的概念,最早都出自爱因斯坦之手。1935年,他一边和两位同行写下著名的 EPR 论文,一边和罗森画出了人类第一张“爱因斯坦—罗森桥”。90多年过去,我们还在他当年随手挖下的坑里,一边往上爬,一边啧啧称奇。
九十多年过去,我们还在爱大爷的虫洞里挂着,他老人家对此表示“略略略”。
所以,让我们回到最开始那两位醉汉。
他们其实没醉,他们只是比我们早了大半个世纪,就问出了同一个问题:光熄灭之后,那里还剩下什么?
剩下的,是光自己。
它不问源头的死活,只是头也不回地往前走,直到撞上某个人,也许是30万千米外那个爬光柱的老兄,也许是,13亿年之后的我们。
(本文由张双南教授发表于“果壳科学人”上同名文章二创而来,并由张双南老师进行科学审核。)
本文来自微信公众号“果壳”(ID:Guokr42),作者:吴欧,36氪经授权发布。















