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聲稱某物可以超光速運動，在物理學中足以讓對話戛然而止。在雞尾酒會上，人們會避開你；朋友們永遠不會回電話。你就是不能和阿爾伯特·愛因斯坦作對。所以，當我在今年一月份的美國天文學會會議上看到一場關於宇宙中超光速現象的新聞釋出會時，我的第一反應是說：“非常抱歉，但我真的得走了。” 天體物理學家多年來一直在談論超光速運動，但這始終只是光線的把戲，造成了超光速的印象，或者是波動運動的技術性，或者是宇宙膨脹的奇異結果。這些研究人員聲稱的是一種非常不同的把戲。儘管我對此表示懷疑，但我還是把他們的新聞稿放進了我的“需要更多思考”資料夾，今天終於抽出時間仔細研究了一下。而我發現的東西非常引人入勝。
研究人員，洛斯阿拉莫斯的約翰·辛格爾頓和安德烈亞·施密特以及他們的同事們，構建了一種導線，其中電脈衝可以超越光速。他們之所以能做到這一點，是因為脈衝不是一個因果過程。它不是因為帶電粒子相互碰撞而沿著導線傳播，這個過程會受到愛因斯坦的速度限制。相反，外部控制器驅動粒子，可以同步它們，使脈衝以你想要的任何速度透過導線。這些粒子就像一排多米諾骨牌。因果過程是通常的多米諾骨牌效應，其中每個多米諾骨牌都推倒下一個；多米諾骨牌以它們自身的速度移動，這取決於它們的大小和間距。非因果過程是如果你用手推倒所有的多米諾骨牌；多米諾骨牌的移動速度取決於你推動它們的速度。上面的照片展示了該裝置的早期版本；導線是右側的白色弧線，控制器是左側的電路板。
這種突破速度壁壘的方法可能看起來像作弊——畢竟，沒有物質物體突破壁壘。但從電磁學的角度來看，這無關緊要。無論導線中脈衝的起源是什麼，它都涉及到電荷的運動併發出電磁輻射。輻射以光速向外傳播，但永遠會受到產生它的速度的影響。當辛格爾頓、施密特和他們的團隊使用他們的技術產生亞光速脈衝時，產生的輻射看起來就像普通的因果脈衝產生的輻射一樣。對於超光速脈衝，輻射看起來就像帶電粒子真的可以超過光速時產生的輻射一樣。
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也就是說，它看起來非常奇怪。不僅輻射在空間中高度聚焦，而且在時間上也高度聚焦——最初需要花費，比如說，10秒鐘產生的脈衝，可能會被壓縮到1毫秒，因為所有的電磁波前都被擠壓在一起。時間上的聚焦導致輻射在很寬的電磁頻譜範圍內擴散。此外，聚焦還提供了一定程度的放大，使得輻射強度不是隨著距離的平方反比而減小，而是隨著距離的反比而減小。
這種聚焦可能非常有助於以最小的功率發射無線電波，但辛格爾頓和施密特的主要興趣是將這個想法應用於天體物理學——特別是脈衝星。天體物理學家認為這些天體是超高密度的中子星，它們在旋轉時產生無線電脈衝，很像燈塔。但他們一直在努力解釋為什麼無線電脈衝如此尖銳，以及為什麼它們會出現在如此廣泛的頻譜範圍內。辛格爾頓和施密特，在劍橋大學的侯尚·阿爾達萬在 20 世紀 80 年代的工作基礎上，認為這些特性是中子星磁場驅動的超光速電流的自然結果。由於簡單的幾何原因，在距離恆星一定距離之外，磁場以超光速掃過大氣層。
研究人員現在正在將他們的模型應用於天體物理學的另一個謎團，伽馬射線暴。天體物理學家通常透過假設平方反比定律來估計這些爆發的內在功率產生，而他們得到的值超出了圖表範圍。但如果涉及到超光速效應，平方反比定律可能會高估功率，天文學家應該真正使用簡單的反比定律。
辛格爾頓說，超光速電流的基本原理可以追溯到英國物理學家奧利弗·亥維賽和德國物理學家阿諾德·索末菲在 19 世紀 90 年代的工作，但由於愛因斯坦的理論勸退了物理學家思考超光速現象，即使是那些規避了這些理論的嚴格限制的現象，也被遺忘了。我只是簡單地談到了這種引人入勝的物理學，我建議你閱讀該團隊的論文，從這篇開始。“人們只是不考慮物體以超過光速的速度運動，”辛格爾頓說。“這是一個完全開放且未被探索的領域。”
照片由安德烈亞·施密特、約翰·辛格爾頓和同事提供