【科學科普】光速是宇宙速度的極限?在宇宙中的超光速現象面前,光速簡直就是「龜速」

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,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

狹義相對論表明,物體速度越大質量就越大(更嚴謹的說法是動能更大),如果物體無限接近光速,動能就變得無限大。而能量與質量其實是等效的,能量和質量只是物體表現出來的兩面性而已。

如果想要一個物體達到光速,意味著需要無限多的能量,整個宇宙的能量都不夠,這顯然是不可能的。

【科學科普】光速是宇宙速度的極限?在宇宙中的超光速現象面前,光速簡直就是「龜速」

人類目前創造的最快速度已經非常非常接近光速了,在大型粒子對撞機中可以把微觀粒子的速度加速到299,792,455米/秒,達到了光速的99.999999%!與光速只差了一點點。

但不要小瞧這一點點,不要認為「我們加把勁」就能達到甚至超越光速了,這「一點點」就是永遠不能逾越的鴻溝。不要說渺小的人類了,就是最恐怖的黑洞,也無法把物體的速度加速到光速。

但狹義相對論中的「光速限值」只是限值有靜質量的物體,這意味著如果沒有靜質量,可以達到光速,準確地說「沒有靜質量的物體必須以光速飛行」。

比如說引力子(目前還是假設概念),膠子,光子等天生就以光速飛行,沒有任何加速過程。

【科學科普】光速是宇宙速度的極限?在宇宙中的超光速現象面前,光速簡直就是「龜速」

愛因斯坦的狹義相對論體現了光速限值,其實自然界本身必須有光速限值,因為自然界中有我們熟悉的因果律,如果一個物體超光速飛行,因果律將被打破,整個宇宙就徹底陷入混亂,甚至會分崩離析。

舉個例子,如果可以超光速,你用獵槍除掉獵物,子彈的速度超光速,你會看到獵物先倒下,然後你才會扣動扳機,因果律完全被打破了,現實世界徹底亂套,讓人捉摸不定。

再到這個世界的現實本質,這個世界是由物質組成的,而物質是靠基本的作用力電磁力,強力,引力組合在一起的,而這三種基本作用力又是靠光子,膠子,引力子傳遞作用力的。如果物體的速度超越光速,意味著以上三種力根本追不上物體本身,怎麼可能把物質粘合在一起呢?

沒有物質,又哪來的宇宙呢?

不過話說回來,「光速限值」並不是絕對的,是有前提的,這個前提就是「任何具有靜質量,攜帶資訊和能量的物質都無法超越光速」,這意味著大自然並沒有徹底關閉「超光速」的大門,還給我們「開了一扇窗」去盡情地超光速。以下就是幾種超光速現象,而且是遠超光速。

在某種介質中超光速

光速每秒299,792,458米/秒是真空中的速度,其實現實中光速是達不到這個速度的,因為大自然中充滿了各種介質,而光在介質中的傳播速度總是小於光速,傳播速度為c/n,其中c是光速,n是介質折射率,n總會大於1。事實上多數時候,介質中的光速遠小於真空中的光速。比如說光在水中的速度只有0.75c。

利用光的這種特性,我們就可以在某種介質中「超越光速」(當時不是真空中的光速,而是介質中的光速),達到「光障」效果。科學家也確實做到了。

【科學科普】光速是宇宙速度的極限?在宇宙中的超光速現象面前,光速簡直就是「龜速」

一個物體可以在比介質中的光更快的速度穿越介質,產生光光激波(光障),這種光波被稱為「切倫科夫輻射」(怪異的藍光)。物體必須在密度比較大的介質中快速移動,光障效果才可以被我們的肉眼看到。比如說,核反應爐以非常高的速度噴出電子,高速電子穿越冷卻水的速度就比水中的光速還要快,就會產生錐形激波。

宇宙大爆炸時的暴漲速度

【科學科普】光速是宇宙速度的極限?在宇宙中的超光速現象面前,光速簡直就是「龜速」

長期以來,科學家認為宇宙起源於一次大爆炸,一個體積無限小質量密度無限大的奇點是一切的開端,一切都是從零開始的。不過暴漲理論出現之後,大爆炸理論似乎有點過時了。

該理論認為,時間並不是從奇點的突然膨脹開始的,而是從10^-41秒開始的,這個時候宇宙已經存在,大小大約為一個天文單位(1.5億公里)。

【科學科普】光速是宇宙速度的極限?在宇宙中的超光速現象面前,光速簡直就是「龜速」

當時的宇宙不存在任何物質,只有真空能,真空能促使宇宙以指數級膨脹,然後暴漲在10^-36秒瞬間結束,非常短暫。

此後真空能衰變成為物質,包括我們如今所知的基本粒子和反粒子。然後開始迅速膨脹。

膨脹的速度有多快?一秒之內就膨脹到了一光年大小了,一年之後大約就有現在銀河系的大小了,想像一下這個速度,光速在此速度面前不值得一提!即便是138億年後的今天,宇宙膨脹的速度仍舊遠超光速,不但如此,宇宙膨脹速度一直在加速,宇宙空間每增加1百萬光年的距離,膨脹速度就會增加20公里每秒,這就像我們吹氣球一樣,氣球上兩個點的距離會越來越遠,而且相互遠離的速度會越來越快。

【科學科普】光速是宇宙速度的極限?在宇宙中的超光速現象面前,光速簡直就是「龜速」

空間膨脹速度遠超光速並不違反相對論,空間中的物體只是跟著空間在運動,彼此之間並沒有傳遞資訊。

詭異的量子糾纏

相信很多人都聽說過「量子糾纏現象」,它如此詭異,以至於被愛因斯坦稱為「鬼魅般的超距作用」,也讓愛因斯坦十分頭疼,因為量子糾纏現象徹底顛覆了經典物理,他認為我們的世界具有局域性(也就是不能超光速),而量子糾纏現象則屬於非局域性。

比如說,在量子世界裡,發生耦合的兩個微觀粒子,不管它們相距多遠,哪怕在宇宙的兩端,只要我們測量其中一個微觀粒子的狀態,如果說粒子的自旋向下,那麼另一個粒子的自旋必定向上,看起來好像它們存在「心靈感應」一樣,彼此之間能根據對方的狀態瞬間做出決定。

【科學科普】光速是宇宙速度的極限?在宇宙中的超光速現象面前,光速簡直就是「龜速」

雖然量子糾纏現象非常詭異,但科學家確實驗證了這種現象的真實存在性。結果就是愛因斯坦錯了,但並不是說他的相對論錯了。

量子糾纏與相對論中的「光速限值」並不矛盾,量子糾纏中的兩個粒子並不能傳遞任何資訊。因為當我們測量其中一個微觀粒子的狀態時,粒子表現出來的狀態其實都是隨機的,而且每一次測量都意味著量子糾纏的坍縮,也就是說一旦我們實施了測量之後,糾纏態馬上就會消失,粒子之間不再發生糾纏。

所以說,「光速不可超越」這種說法其實是不嚴謹的,因為這種說法並不是絕對的,是有前提條件的。應該說是任何資訊的傳遞速度都無法超越光速(真空中的光速)。

這種非絕對性也算是大自然留給我們的「漏洞」,我們可以利用這個「漏洞」進行「超光速」旅行,比如說蟲洞和「曲速引擎」的概念,就是利用空間的彈性,折疊,甚至撕裂來瞬間跨越浩瀚星際距離。

 

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2 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 这么说吧,被我限制了

  2. 天文萌新

    不知道啊,超光速的东西我们没办法看到吧,被限制的不是光,而是人类

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