第20章 光子、相对论性喷流和曲速引擎

光和光子是两个不同的概念。

光是一种电磁波，实质上是特殊物质电磁场的运动所具有的能，光能可以转换成热能、电能、动能、势能、核能等。光能转换成其他能量后，它本身就不存在了。组成光的最小单位就是光子。

光子是电磁辐射的量子（即：所有电磁辐射的最小组成单位）。在量子场论里是负责传递电磁力的力载子。它的静止质量为零，所以，它一诞生速度就是光速，没有加速的过程。光子是为了研究量子力学的方便，人们虚构和假设出的一种质量为零的粒子流，属于物质的范畴，根据物质不灭定律，光子是不会消失的，事实上这种质量为零的粒子是不存在的。

物质都是形成时空拓扑结构的，即都是按一定规则(运算)形成一个完备、自洽、守恒的拓扑结构。

光也不例外，也是“成集团”的，有规则的拓扑集合形式，也就是说，光从来就不是“单个”的，始终是集合的。所谓单光子也只是从能量级别上来说的，所以，才有0.7个光子、1.4个光子之说。

光是从其“整体”上来定义的，强调光的整体性；光子是强调光的粒子性；光量子强调光在微观领域所具有的量子特性，光的波粒二象性，微观粒子的波粒二象性带来的各种量子特性：量子干涉、量子隧穿、量子纠缠、量子相干叠加、量子测不准特性等。

光在通常的、宏观时空中所形成的拓扑集，使其性质很“平凡”，只有在微观、低能，形成“若干元素”的拓扑集时，其性质才突显其量子特性。微观粒子的波粒二象性的突显，都是在其拓扑集是“某个有限元”时才出现。

从光射入一条狭缝在后面的幕布上形成的条纹可以看出：条纹的中间部分亮度最大，向两侧亮度逐渐减小。这就是光的粒子性的体现。

光的波动性从杨氏双缝实验可以看出来，光在通过双缝后在幕布上形成了一条一条的干涉条纹。

值得说明的是，哪怕是单光子的双缝实验也会在幕布上形成干涉条纹。

当爱因斯坦试图解释“光电效应”时，他的思考是:光撞击表面会产生电子。发射电子的能量取决于光的颜色（即频率），而不是光的强度。随着光强度的增加，并没有得到更高能量的电子，但得到了更多的电子。

爱因斯坦意识到，如果他假设光本身是量子化的，他就可以解释赫兹的光电效应。（普朗克认为是发射原子被量子化了。）爱因斯坦称这些束为光量子；后来，科学家称它们为光子。实际上，爱因斯坦发现了光子；至少，他是第一个认识到它存在的人。每个光子击出一个电子。它把它的能量给了那个电子，所以电子的能量取决于光的频率。更强的光意味着更多的光子，因此更多的电子被喷射出来。正是爱因斯坦对光电效应的解释使他在1921年获得了诺贝尔奖。

 相对论性喷流

M87星系中心黑洞是人类首次直接成像看到的黑洞。这颗黑洞距离我们5500万光年，很大，比太阳大约65亿倍，直径约360亿公里的超大黑洞（冥王星距离太阳的距离大约是58亿公里），是M87星系中心的超大质量黑洞。成像的图片是于2019年公布，就是下面这个类似甜甜圈的形状。

不过直接成像看到的是黑洞的吸积盘，黑洞本体我们无法看到，因为光在那里无法逃脱。

正是因为这个特征，黑洞才会暴露，天文学家才可以对它成像。

所以拍到的那一圈发光的圆圈，则是黑洞的吸积盘，吸积盘中心的阴影，便是黑洞本体所在的区域，不过阴影的大小可并不是黑洞本体的实际大小，黑洞的本体要比阴影小。

图片看着虽然模糊，但它却包含了丰富的信息，例如黑洞的自转，吸积盘倾斜的角度，以及磁场。吸积盘的存在点亮了黑洞，同时，它也创造了一种极为壮观的景象-----相对论性喷流。

1918年，天文学家赫伯·柯蒂斯在观测M87星系的时候，发现了一个奇怪的现象。

M87星系有一条明亮且笔直的射线，射线似乎连接着核心，但那是什么他当时并不知道，只是将其描述为一种可能的巨大喷发。

这是人们第一次对M87星系喷流的描述。

1990年哈勃望远镜发射升空，它在1998年的时候拍下了这张照片。

这是M87喷流最为震撼的一张图片，一条呈现淡淡蓝色的光柱，一条长达5000光年的喷流，一个明亮的核心，一片茫茫的星空，就这样出现在了我们的视野，谁能够想到，这样的神迹是那个连光都无法逃脱的黑洞所创造。

对于这样的喷流，天文学家一直想要弄清楚它形成的原因。

拥有数千光年的长度以及接近光的速度，它的形成机制绝不简单。

不过想要弄清楚原因，天文学家需要从喷流刚开始喷出的那一刻入手。

可以往的观测，天文学家只是单独观测到喷流、吸积盘，他们并没有看到过喷流从吸积盘喷出那个最开始的画面，直到这次。

这次的拍摄让我们知道了一个事实，喷流的确来自黑洞视界附近，并且看着好像具有三齿状结构，这和我们认识中那条笔直长长的喷流有点不一样。

M87星系

遥望M87星系，我们可以看到，黑洞可以黑到连光都无法逃离。

但吞噬物质时，它也可以点亮宇宙，生成那犹如火焰般的喷流，射向远方。

 曲速引擎

1994年米格尔·阿库别瑞发表了一篇名为《曲速引擎：广义相对论的超光速航行》科学论文，这是第一次以科学的方法去讨论曲速航行的论文。

曲速航行不同于常规的推进式飞行器，它是利用空间的折叠来进行的一种航行，也就是把飞行器前部的空间压缩，后部的空间膨胀而产生的一种飞行，这种驱动会让飞行器处于一个被称为曲速泡的空间之中，航天器位于曲速泡内并不会真正的移动，它是曲速泡造成的空间自身的一种移动，所以，光速的限制以及时间膨胀的效应将不会影响曲速泡内的飞船。并且，位于泡内的飞船也始终处于自由落体的状态，不会存在加速度带来的重力的影响，所以这种航行很适合我们人类穿梭于太空。

曲速引擎的核心是空间的折叠。但空间真的可以折叠吗？

在此，我们先了解下爱因斯坦在广义相对论中对空间的描述。

广义相对论是爱因斯坦于1915年发表的一篇有关引力的理论，他划时代的提出了引力与曲率的概念，认为，引力是因空间的弯曲而形成，弯曲的程度决定着引力的大小，也就是曲率越大，表现出的引力则越大。那么这个时候我们对空间的理解，便出现了前所未有的认识，空间它可以被弯曲。

从广义相对论的提出到现在，空间可以被弯曲的现象，我们已经有很多次的验证，这已是不争的事实，所以空间折叠理论上是可行的。

那么要怎样来实现空间折叠呢?

实现曲速引擎中的曲率泡需要两种物质，一种是普通的物质，一种则是奇异的物质。普通物质的质量可以压缩空间，从而形成曲率泡的前半部，而奇异物质则可以产生负能量，它可以使空间膨胀，就像暗能量使宇宙膨胀那样，从而形成曲率泡的后半部，不过很遗憾，奇异物质目前我们还不知道是什么。

但负能量根据卡西米尔效应它确实存在，只是目前发现的也仅限于量子级别。而需要产生并可容纳飞船那样级别的曲率泡是需要非常庞大的负能量， 所以在没有找到这种物质之前，曲速引擎只能停留在理论层面。

物理学家们也在寻求另一种可能，不需要奇异物质的曲率泡。2021年3月一个名叫论兹的物理学家发表了这么一篇论文《打破曲速壁垒：爱因斯坦，麦克斯韦等离子体理论中的超快孤子》。在这篇论文中，他提出了一种只需要正常物质就可以维持曲率泡的理论。只不过这些 正常物质需要形成一种奇异的波，也就是孤子，它可在飞船周围形成类似菱形的曲率泡。形成这样的曲率泡需要的正常物质也是巨大的，根据计算，一个百米级别的飞行器，其需要的能量大概会是数百个木星质量。