光速被視為物質運動的極限以及時間和空間的基本尺度。愛因史坦的相對論指出,光速是不變的,且無法被超越,這是自然界中的一個普遍定律。然而,科學家們發現了兩種看似違反這一定律的現象:量子纏結和宇宙膨脹。這兩種現象涉及超光速效應,那麽它們究竟是如何發生的?又意味著什麽?
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光速其實很低速度
首先,讓我們回顧一下光速的基本概念。光在真空中的速度大約為每秒30萬公裏,是恒定不變的。1905年,愛因史坦提出的狹義相對論強調了光速不變的原則,並基於此推匯出了一系列驚人的結論,如時間的相對性、長度的收縮、品質隨速度增加而增大等。其中特別提到,具有靜止品質的物體永遠無法達到光速;而無靜止品質的粒子(如光子)只能以光速運動。若某物能以超光速移動,則可能引發因果關系的悖論。
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量子纏結
為什麽物質無法超越光速?答案在於質能方程式 (E=mc²) 中。該方程式揭示了物體的品質與其能量之間的關系。隨著物體速度接近光速,其品質增加,所需能量也隨之增加,以至於加速到光速需要無限的能量,這在現實中是不可能實作的。
接下來,我們探討兩種看似超越光速的現象。
量子纏結
量子纏結是一種奇特的現象,指兩個或多個量子系統間存在一種強烈的非局域 的聯系 。即使它們相隔很遠,也能瞬間影響彼此的狀態。這種現象最早由愛因史坦、波多斯基和羅森提出,並被稱為「鬼魅般的超距作用」。量子纏結的存在已被實驗證實,但它並未違反相對論中的超光速禁令。這是因為盡管兩個纏結態粒子的狀態可以瞬時相互影響,但這一過程無法用來傳遞資訊或能量。換言之,雖然量子纏結看似實作了超光速效應,但實際上並沒有違背相對論的限制。
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量子纏結
量子纏結是一種不需要介質或者傳播子的超距作用現象,這種現象是基於客觀事實的。量子纏結的速度至少是光速的10,000倍,這是目前實驗顯示的結果,也是速度下限。但這並不意味著資訊可以以超光速傳遞,因為量子纏結本身並不能傳遞資訊。
在量子力學中,當幾個粒子彼此交互作用後,粒子各自的個性就消失了,擁有了整體特性,這些粒子已經無法單獨描述各個粒子的性質,只能夠描述整體性質,這就是所謂的量子纏結。處於纏結態的不同粒子,其波函式都相互疊加在一起,觀測到的微觀粒子的狀態看似發生了塌縮,其實只是微觀粒子恰好出現在了觀測地方。一旦對纏結中的微觀粒子實施了觀測,微觀粒子之間的纏結態瞬間就會消失,它們不再具有纏結關系,這也意味著不可能透過纏結中的粒子來傳遞資訊。
量子纏結是一種奇特的量子力學現象,處於纏結態的粒子之間存在著一種非定域、瞬時的關聯。然而,僅僅依靠量子纏結,並不能實作對經典意義上資訊的傳遞。
原因在於,對處於纏結態的其中一個粒子進行測量或操作時,無法透過這種操作主動控制另一個粒子的狀態,從而無法編碼和傳遞有意義的資訊。
要實作資訊傳遞,還需要結合傳統的通訊方式,目前人類的科技無法觸及這一領域。
宇宙膨脹
宇宙膨脹指的是宇宙空間本身的擴張,導致宇宙中的物質相互遠離。這一現象最早由哈伯在1929年透過觀測遠處星系的紅移現象發現。宇宙從一個極熱極密的狀態開始膨脹,並且這種膨脹至今仍在繼續,甚至在加速。宇宙膨脹的速度可以用哈伯常數來衡量,其值約為每秒70公裏/每百萬光年。在某些極端情況下,宇宙膨脹的速度可能超過光速。但這並不違反相對論,因為相對論中的光速極限適用於物質在空間中的運動,而非空間本身的擴張。宇宙空間本身並無品質,因此不受相對論中速度限制的約束。
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宇宙膨脹
綜上,量子纏結和宇宙膨脹雖然看似違反了光速不可超越的規則,但實際上它們反映的是自然界的深層運作機制,並未真正違反相對論的原理。這些現象為我們提供了深入理解宇宙的新視角,並激發了更多科學探索的興趣。