大自然總是不按照我們的意愿來發(fā)展變化，當嘗試去理解自然現(xiàn)象時，我們常常被物理學定律所限制。這會使我們打退堂鼓？完全不會。利用我們的聰明才智，我們可以變通一下物理學定律，甚至用一個定律去克服另一個定律。接招吧，宇宙！下面我們舉一些例子來談一談。
小于絕對零度
定義溫度很簡單?；鹗菬岬?，冰是冷的，在冷熱之間設置一些間隔就可以了。
是什么使得火比冰更熱呢？19世紀物理學家威廉·湯姆森，也稱為開爾文男爵一世，給出了答案。他把溫度與動能聯(lián)系起來：在熱的系統(tǒng)中，粒子運動更加劇烈，冷的則不劇烈。根據(jù)開爾文溫標，自然中最低的溫度將是粒子完全不運動的時候，這就是絕對零度。由此看來，把一個系統(tǒng)降到絕對零度以下是不可能的。
但是，科學家卻發(fā)現(xiàn)，開爾文溫標完全可以降為負值，也就是說，負溫度可以存在。這是怎么回事呢？要是根據(jù)溫度的嚴格定義，你就會發(fā)現(xiàn)溫度不只是依賴于粒子的平均動能，它還依賴于能量如何分布，即混亂程度，或者稱為熵。具體地說，一個系統(tǒng)的粒子數(shù)守恒和體積不變時，溫度與系統(tǒng)能量的變化成正比，與熵的變化成反比。通常，系統(tǒng)的熵總是隨著能量增加而上升的，因為能量升高，粒子運動得就會激烈，無序度就會增加。所以說，溫度是正的。
但是有些系統(tǒng)卻在能量達到一定值時，熵的變化會變得十分小，而溫度與熵的變化成反比，這說明此時的溫度異常之大，快接近正無窮大了。但如果能量繼續(xù)增加，其熵反而會減少，這樣根據(jù)溫度定義，你得到的結(jié)果將帶個負號，也就是說它就具有了負溫度。所以說，具有負溫度的系統(tǒng)不過是比正無窮大溫度更熱的系統(tǒng)。所以說，達到負溫度的系統(tǒng)比其他任何具有正溫度的系統(tǒng)都要熱而不是冷，而且若和具有正溫度的系統(tǒng)相接觸，熱量會從負溫度系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到正溫度系統(tǒng)內(nèi)。
負溫度一直只在理論中存在，直到2013年，來自德國的物理學家利用激光操縱原子，成功使得這些原子具有了負溫度。
當然這其實有點欺騙性。絕對零度仍然代表著一個系統(tǒng)可具有的最低能量，只是開爾文溫標并不總能表達這一點。
跳動在量子禁忌之地
泡利不相容原理，從名字上看它可能在阻止某些事情的發(fā)生，但其實它很重要：它使得普通的物質(zhì)為啥會這樣。這個原理是奧地利物理學家沃爾夫?qū)づ堇?925年提出的，說的是原子中不允許有兩個量子狀態(tài)完全相同的電子。這樣，原子中電子不是隨意地擁擠在一起，而會形成一個有規(guī)律的分布結(jié)構(gòu)，這可解釋為什么具有不同數(shù)量電子的原子具有不同的性質(zhì)。沒有泡利不相容原理，各種化學元素就變得沒有區(qū)別了。
這個原理甚至可以應用到天體上。宇宙中十分致密的天體，例如白矮星，之所以沒有在自身的引力下繼續(xù)坍縮，就是泡利不相容原理阻止了電子完全擠到一起。另外這個原理不只是適用于電子，而是適用于構(gòu)成所有普通物質(zhì)的粒子，例如中子、質(zhì)子等，這樣的粒子統(tǒng)稱為費米子。同樣，宇宙中的中子星沒有繼續(xù)坍縮，是因為泡利不相容原理阻止了中子完全擠到一起。
看起來要打破這種原理，得需要極端的情況。但是在2003年，來自美國科羅拉多大學的女科學家德博拉·金和她的同事發(fā)現(xiàn)，在溫度很低的情況下，泡利不相容原理也會變得不靈。當溫度很低時，兩個費米子可以結(jié)合成一個具有玻色子性質(zhì)的“費米子對”。而玻色子，例如光子是不遵循泡利不相容原理的。所以這些費米子對都可以進入相同的量子狀態(tài)，形成“費米子冷凝物”。所以說這時泡利不相容原理就不再適用。
德博拉·金制成了一個包含40個鉀原子的費米子冷凝物，它們被冷卻到比絕對零度剛高出一點時的溫度，然后讓它們在磁場下結(jié)成對。雖然這時的費米子冷凝物不遵循泡利不相容原理，不過如果你把費米子對拆開的話，它們還會遵循泡利不相容原理。
壓榨不確定性
1927年，德國物理學家維爾納·海森堡提出了著名的不確定性原理，認為粒子的位置與動量不可同時被確定。粒子位置的不確定性越小，其動量的不確定性就越大；反之亦然。類似地，粒子能量的不確定性越小，則與描述粒子相關(guān)的時間參量的不確定性就越大；反之亦然。
盡管這叫做不確定性原理，但是我們可以利用它設計出精確的測量儀器。例如測量引力波的儀器。引力波是愛因斯坦廣義相對論的重要預言之一，它其實就是時空本身的漣漪。要想檢測到引力波，我們可以讓激光在相距很遠的鏡子之間來回穿行，引力波通過時，會引起這里時空的改變，進而影響激光的路徑。檢測到這種變化，我們就可以認為檢測到了引力波。
有些人認為，由于引力波可能十分微弱，想要檢測到這種變化，那么可能會受到不確定性原理的影響。但事實上，這里有一個漏洞。不確定性原理說，我們知道粒子的一個性質(zhì)越多，那么知道另一個性質(zhì)就越少。為了檢測到引力波，我們需要盡可能知道撞到鏡子上的光子有多少（其實就是能量的多少），那么根據(jù)能量與時間的不確定關(guān)系，我們只需要把光子抵達鏡子的時間變得更加不確定，那么撞到鏡子上的光子的多少就變得更加確定了，這樣檢測引力波的儀器的精確度就會大大提升。位于德國的GEO600引力波探測儀就是利用這種思路不斷提高檢測精度的。
這里還有一個難題，引力波引起的變化很微弱，物理學家得想盡辦法排除所有干擾。其中世界各處的地震，都會振動鏡子，產(chǎn)生的干擾完全可以覆蓋掉任何信號。盡管采用各種手段，但是低于1赫茲的振動很難去除。這意味著那些低頻的引力波很難探測到。
唯一可行的辦法就是把引力波探測器放到太空中。歐洲航天局計劃在2034年把被稱為eLISA的引力波探測器放到太空中。eLISA由3個衛(wèi)星構(gòu)成，把它們擺放成等邊三角形并圍繞太陽運動。每一個衛(wèi)星都會向旁邊發(fā)射激光束，以此來測量引力波引起的時空變化。三角形的每一邊都長達100萬千米，這足以探測到許多在地球上探測不到的引力波。例如，大質(zhì)量黑洞的合并，不管發(fā)生在宇宙何處，eLISA都將會探測到。
超越光速的嘗試
愛因斯坦的相對論表明，沒有任何東西運動的速度可以超過光速。如果一個有質(zhì)量的粒子運動的速度小于光速，得需要無限多的能量才能加速到光速；但是根據(jù)相對論，假如有一個粒子運動的速度超過了光速，你也不能把它的速度降到光速以下。這被稱為“光速屏障”，小于光速的一邊和大于光速的一邊是不相通的。
有些現(xiàn)象好像突破了光速的限制。我們知道，超音速飛機突破音障時會產(chǎn)生音爆，這是因為飛機的速度超過了音速。同樣，宇宙射線在水中穿行時，也會產(chǎn)生類似的“光爆”，這說明宇宙射線的運動速度超過了光速，但是這是在水中，它只是超過了水中的光速，并沒有超過真空中的光速——一個終極障礙。
宇宙邊緣的星系遠離我們的速度應該超過了光速。然而這是由于宇宙本身不斷膨脹引起的，它并沒有真的違背相對論。因為相對論中所指的速度，是局部區(qū)域下的速度。
但是有個東西看似真的超越光速了，那就是量子糾纏現(xiàn)象。當你測量糾纏粒子對中的一個，不管它們相距多遠，都會瞬時地影響到另一個粒子。這似乎就是超越了光速，但是如果你嘗試利用它們來傳遞信息的話，你還會受到光速的限制。
盡管我們可以突破許多物理學定律的限制，但是好像是完全不可能——不管是粒子還是信息——都無法突破光速的限制，超越光速的嘗試目前看來還沒有任何希望。
