人类大战物理规律

大自然总是不按照我们的意愿来发展变化，当尝试去理解自然现象时，我们常常被物理学定律所限制。这会使我们打退堂鼓？完全不会。利用我们的聪明才智，我们可以变通一下物理学定律，甚至用一个定律去克服另一个定律。接招吧，宇宙！下面我们举一些例子来谈一谈。

小于绝对零度

定义温度很简单。火是热的，冰是冷的，在冷热之间设置一些间隔就可以了。

是什么使得火比冰更热呢？19世纪物理学家威廉·汤姆森，也称为开尔文男爵一世，给出了答案。他把温度与动能联系起来：在热的系统中，粒子运动更加剧烈，冷的则不剧烈。根据开尔文温标，自然中最低的温度将是粒子完全不运动的时候，这就是绝对零度。由此看来，把一个系统降到绝对零度以下是不可能的。

但是，科学家却发现，开尔文温标完全可以降为负值，也就是说，负温度可以存在。这是怎么回事呢？要是根据温度的严格定义，你就会发现温度不只是依赖于粒子的平均动能，它还依赖于能量如何分布，即混乱程度，或者称为熵。具体地说，一个系统的粒子数守恒和体积不变时，温度与系统能量的变化成正比，与熵的变化成反比。通常，系统的熵总是随着能量增加而上升的，因为能量升高，粒子运动得就会激烈，无序度就会增加。所以说，温度是正的。

但是有些系统却在能量达到一定值时，熵的变化会变得十分小，而温度与熵的变化成反比，这说明此时的温度异常之大，快接近正无穷大了。但如果能量继续增加，其熵反而会减少，这样根据温度定义，你得到的结果将带个负号，也就是说它就具有了负温度。所以说，具有负温度的系统不过是比正无穷大温度更热的系统。所以说，达到负温度的系统比其他任何具有正温度的系统都要热而不是冷，而且若和具有正温度的系统相接触，热量会从负温度系统转移到正温度系统内。

负温度一直只在理论中存在，直到2013年，来自德国的物理学家利用激光操纵原子，成功使得这些原子具有了负温度。

当然这其实有点欺骗性。绝对零度仍然代表着一个系统可具有的最低能量，只是开尔文温标并不总能表达这一点。

 

跳动在量子禁忌之地

泡利不相容原理，从名字上看它可能在阻止某些事情的发生，但其实它很重要：它使得普通的物质为啥会这样。这个原理是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1925年提出的，说的是原子中不允许有两个量子状态完全相同的电子。这样，原子中电子不是随意地拥挤在一起，而会形成一个有规律的分布结构，这可解释为什么具有不同数量电子的原子具有不同的性质。没有泡利不相容原理，各种化学元素就变得没有区别了。

这个原理甚至可以应用到天体上。宇宙中十分致密的天体，例如白矮星，之所以没有在自身的引力下继续坍缩，就是泡利不相容原理阻止了电子完全挤到一起。另外这个原理不只是适用于电子，而是适用于构成所有普通物质的粒子，例如中子、质子等，这样的粒子统称为费米子。同样，宇宙中的中子星没有继续坍缩，是因为泡利不相容原理阻止了中子完全挤到一起。

看起来要打破这种原理，得需要极端的情况。但是在2003年，来自美国科罗拉多大学的女科学家德博拉·金和她的同事发现，在温度很低的情况下，泡利不相容原理也会变得不灵。当温度很低时，两个费米子可以结合成一个具有玻色子性质的“费米子对”。而玻色子，例如光子是不遵循泡利不相容原理的。所以这些费米子对都可以进入相同的量子状态，形成“费米子冷凝物”。所以说这时泡利不相容原理就不再适用。

德博拉·金制成了一个包含40个钾原子的费米子冷凝物，它们被冷却到比绝对零度刚高出一点时的温度，然后让它们在磁场下结成对。虽然这时的费米子冷凝物不遵循泡利不相容原理，不过如果你把费米子对拆开的话，它们还会遵循泡利不相容原理。

 

压榨不确定性

1927年，德国物理学家维尔纳·海森堡提出了著名的不确定性原理，认为粒子的位置与动量不可同时被确定。粒子位置的不确定性越小，其动量的不确定性就越大；反之亦然。类似地，粒子能量的不确定性越小，则与描述粒子相关的时间参量的不确定性就越大；反之亦然。

尽管这叫做不确定性原理，但是我们可以利用它设计出精确的测量仪器。例如测量引力波的仪器。引力波是爱因斯坦广义相对论的重要预言之一，它其实就是时空本身的涟漪。要想检测到引力波，我们可以让激光在相距很远的镜子之间来回穿行，引力波通过时，会引起这里时空的改变，进而影响激光的路径。检测到这种变化，我们就可以认为检测到了引力波。

有些人认为，由于引力波可能十分微弱，想要检测到这种变化，那么可能会受到不确定性原理的影响。但事实上，这里有一个漏洞。不确定性原理说，我们知道粒子的一个性质越多，那么知道另一个性质就越少。为了检测到引力波，我们需要尽可能知道撞到镜子上的光子有多少（其实就是能量的多少），那么根据能量与时间的不确定关系，我们只需要把光子抵达镜子的时间变得更加不确定，那么撞到镜子上的光子的多少就变得更加确定了，这样检测引力波的仪器的精确度就会大大提升。位于德国的GEO600引力波探测仪就是利用这种思路不断提高检测精度的。

这里还有一个难题，引力波引起的变化很微弱，物理学家得想尽办法排除所有干扰。其中世界各处的地震，都会振动镜子，产生的干扰完全可以覆盖掉任何信号。尽管采用各种手段，但是低于1赫兹的振动很难去除。这意味着那些低频的引力波很难探测到。

唯一可行的办法就是把引力波探测器放到太空中。欧洲航天局计划在2034年把被称为eLISA的引力波探测器放到太空中。eLISA由3个卫星构成，把它们摆放成等边三角形并围绕太阳运动。每一个卫星都会向旁边发射激光束，以此来测量引力波引起的时空变化。三角形的每一边都长达100万千米，这足以探测到许多在地球上探测不到的引力波。例如，大质量黑洞的合并，不管发生在宇宙何处，eLISA都将会探测到。

 

超越光速的尝试

爱因斯坦的相对论表明，没有任何东西运动的速度可以超过光速。如果一个有质量的粒子运动的速度小于光速，得需要无限多的能量才能加速到光速；但是根据相对论，假如有一个粒子运动的速度超过了光速，你也不能把它的速度降到光速以下。这被称为“光速屏障”，小于光速的一边和大于光速的一边是不相通的。

有些现象好像突破了光速的限制。我们知道，超音速飞机突破音障时会产生音爆，这是因为飞机的速度超过了音速。同样，宇宙射线在水中穿行时，也会产生类似的“光爆”，这说明宇宙射线的运动速度超过了光速，但是这是在水中，它只是超过了水中的光速，并没有超过真空中的光速——一个终极障碍。

宇宙边缘的星系远离我们的速度应该超过了光速。然而这是由于宇宙本身不断膨胀引起的，它并没有真的违背相对论。因为相对论中所指的速度，是局部区域下的速度。

但是有个东西看似真的超越光速了，那就是量子纠缠现象。当你测量纠缠粒子对中的一个，不管它们相距多远，都会瞬时地影响到另一个粒子。这似乎就是超越了光速，但是如果你尝试利用它们来传递信息的话，你还会受到光速的限制。

尽管我们可以突破许多物理学定律的限制，但是好像是完全不可能——不管是粒子还是信息——都无法突破光速的限制，超越光速的尝试目前看来还没有任何希望。