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為什麽光速不能被超越?根本原因是什麽?

2024-02-11科學

首先強調一點,光速並不是絕對能被超越,也就是說,光速限制並不是絕對的,在某些情況下,光速也是可以被超越的,只不過我們需要某些「作弊」手段,具體怎麽回事之後會講,我們先來了解一下宇宙中為什麽會存在光速限制,光速為什麽不能被超越?

可以從兩方面來理解。

第一,我們都知道,在大型粒子對撞機中,科學家們透過電場對粒子進行加速,粒子就會獲得超高能量,以非常接近光速的速度飛行。

比如說,大型粒子對撞機中,質子可以獲得大約6.5萬億電子伏特的能量,這麽高的能量可以讓質子以0.9999999896倍光速飛行,非常接近光速。

而電子比質子更輕,只有質子品質的1836分之一,因此電子透過對撞機不斷加速,可以獲得高達104.5萬億伏的能量,所以電子的速度可以無限接近光速,只比光速慢了每秒3.6公釐。

每秒3.6公釐,這個速度簡直太低了,你可能認為只要再給電子多一點的能量,就可以輕松達到甚至超越光速了。如果你這麽想,就大錯特錯了,這每秒3.6公釐的速度是人類永遠無法逾越的鴻溝,問題到底出在哪裏呢?光速明明就在眼前,為什麽就是無法突破呢?

剛才講了,質子和電子等粒子透過大型粒子對撞機加速,可以獲得超高能量,如此高的能量為什麽還不能讓電子超過光速呢?根本原因就在於宇宙中存在能量限制,如何理解呢?

科學家們發現,當一個粒子攜帶的能量達到一個閾值,大約5乘以10的19次方電子伏特時,大自然就會進行幹預,不讓能量繼續升高超過那個閾值,而這個閾值就是GZK極限值,也就是宇宙中的能量極限值。

具體怎麽幹預的呢?

當粒子攜帶的能量高於GZK極限值時,粒子就會與宇宙中微波背景放射線的光子發生作用,進而產生一個中性π介子,這個介子會消耗135兆電子伏特的能量,直到粒子攜帶的能量降低到GZK極限值以下。

有人可能會問,隨著宇宙的不斷膨脹,如果未來某天宇宙中的微波放射線消失了,是不是就可以超過光速了呢?

這種事情是不可能發生的,因為雖然宇宙空間一直在膨脹,但膨脹的過程也只會讓光子的波長變長,能量變高,但絕不會讓光子消失。

還有一種方式可以解釋光速為什麽不能被超越,這種方式就是大家都非常熟悉的相對論。

相對論是如何解釋光速限制的呢?

狹義相對論表明,時空並不是絕對的,而是相對的,時空其實很有彈性,當你的速度越快,你在前進方向上的空間維度就會縮短,同時你的時間維度流逝速度也會變慢,這就是我們通常所講的尺縮效應和時間膨脹效應(鐘慢效應)。

這裏有一個極端情況,如果你的速度無限接近光速,意味著你前進方向的空間尺度會縮小到無限接近零,同時在外部看來你的時間也停止了,你攜帶的時鐘不再走動。

而沒有空間和時間的參照系其實是不存在的,也是沒有意義的,因此包括你我在內的任何東西,速度都不可能超過光速,原因就在於,一旦達到或者超過光速,時間和空間將失去意義,不存在了。

而速度本身的概念就是,在某段時間內行走的空間距離,既然空間和時間都不存在了,速度的概念自然也就不存在了。

你可能還會說,光的速度不就是光速嗎?確實如此,而且光也確實沒有時間和空間概念。如果光有意識,它根本就不會知道時間到底是個什麽東西,我們可以通俗理解為光的時間是靜止的,任何再遠的距離在光眼裏都是近在咫尺,這也是為什麽光在一瞬間可以跨越任何浩瀚的距離。

還有人會提出這樣的質疑:你這種解釋時間建立在相對論基礎上的,難道相對論就是真理,就一定是正確的嗎?

相對論當然不是真理,任何科學理論都不會是真理,但一百多年過去了,科學家們發現的所有證據都在支撐著相對論,我們當然有理由相信相對論。

現在來說說一開始所講的「光速其實也可以被超越」的問題,該如何超越光速呢?

當然,絕對速度是無法超越光速的,我們可以透過「作弊」手段完成對光速的「間接」超越。

比如說,不同星系之間的恒星遠離彼此的速度就超過了光速,因為宇宙膨脹的速度遠超光速,而星系中的恒星會隨著宇宙膨脹「超光速」飛行,當然這種現象並沒有違反愛因史坦的相對論。

相對論中的慣性系有一個重要前提:慣性系,而宇宙空間的膨脹過程與慣性系無關。

還有就是利用時空具有彈性的特點,壓縮彎曲時空結構,甚至在時空結構中「打一個洞」,以上兩種方式就是我們經常聽到的曲速引擎技術和蟲洞科技,其實就是透過「作弊」手段完成間接超光速,相當於走了捷徑,本質上還是空間移動的速度,而非物體本身的絕對速度。

第三種超光速方式就是「切倫科夫放射線」超光速,核子反應爐裏會發出幽幽的藍光,那就是粒子在水中超光速的表現。具體怎麽回事呢?

由於光子在水中的速度會降低,只有真空中速度的大約四分之三,因此電子可以超過光子在水中的速度,然後就會發出那幽幽的藍光,被稱為「切倫科夫放射線 」。也就是說,電子超越的是水中的光速,並非真空中的光速。

總結

其實我們宇宙中存在光速限制,本質來講還是因為我們所在的四維時空決定的。也就是說,光速是四維時空的固有內容,光速的背景就是四維時空,也可以理解為光速的傳播介質就是四維時空。

如果你想完成對光速的超越,那麽你就必須脫離四維時空的束縛,來到其他維度,比如說高維度時空。至於你該怎麽脫離四維時空,脫離之後還能不能存活,還有高維度時空是否存在等問題,科學家們也不能確定。

完!