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为什么光速不能被超越?根本原因是什么?

2024-02-11科学

首先强调一点,光速并不是绝对能被超越,也就是说,光速限制并不是绝对的,在某些情况下,光速也是可以被超越的,只不过我们需要某些「作弊」手段,具体怎么回事之后会讲,我们先来了解一下宇宙中为什么会存在光速限制,光速为什么不能被超越?

可以从两方面来理解。

第一,我们都知道,在大型粒子对撞机中,科学家们通过电场对粒子进行加速,粒子就会获得超高能量,以非常接近光速的速度飞行。

比如说,大型粒子对撞机中,质子可以获得大约6.5万亿电子伏特的能量,这么高的能量可以让质子以0.9999999896倍光速飞行,非常接近光速。

而电子比质子更轻,只有质子质量的1836分之一,因此电子通过对撞机不断加速,可以获得高达104.5万亿伏的能量,所以电子的速度可以无限接近光速,只比光速慢了每秒3.6毫米。

每秒3.6毫米,这个速度简直太低了,你可能认为只要再给电子多一点的能量,就可以轻松达到甚至超越光速了。如果你这么想,就大错特错了,这每秒3.6毫米的速度是人类永远无法逾越的鸿沟,问题到底出在哪里呢?光速明明就在眼前,为什么就是无法突破呢?

刚才讲了,质子和电子等粒子通过大型粒子对撞机加速,可以获得超高能量,如此高的能量为什么还不能让电子超过光速呢?根本原因就在于宇宙中存在能量限制,如何理解呢?

科学家们发现,当一个粒子携带的能量达到一个阈值,大约5乘以10的19次方电子伏特时,大自然就会进行干预,不让能量继续升高超过那个阈值,而这个阈值就是GZK极限值,也就是宇宙中的能量极限值。

具体怎么干预的呢?

当粒子携带的能量高于GZK极限值时,粒子就会与宇宙中微波背景辐射的光子发生作用,进而产生一个中性π介子,这个介子会消耗135兆电子伏特的能量,直到粒子携带的能量降低到GZK极限值以下。

有人可能会问,随着宇宙的不断膨胀,如果未来某天宇宙中的微波辐射消失了,是不是就可以超过光速了呢?

这种事情是不可能发生的,因为虽然宇宙空间一直在膨胀,但膨胀的过程也只会让光子的波长变长,能量变高,但绝不会让光子消失。

还有一种方式可以解释光速为什么不能被超越,这种方式就是大家都非常熟悉的相对论。

相对论是如何解释光速限制的呢?

狭义相对论表明,时空并不是绝对的,而是相对的,时空其实很有弹性,当你的速度越快,你在前进方向上的空间维度就会缩短,同时你的时间维度流逝速度也会变慢,这就是我们通常所讲的尺缩效应和时间膨胀效应(钟慢效应)。

这里有一个极端情况,如果你的速度无限接近光速,意味着你前进方向的空间尺度会缩小到无限接近零,同时在外部看来你的时间也停止了,你携带的时钟不再走动。

而没有空间和时间的参照系其实是不存在的,也是没有意义的,因此包括你我在内的任何东西,速度都不可能超过光速,原因就在于,一旦达到或者超过光速,时间和空间将失去意义,不存在了。

而速度本身的概念就是,在某段时间内行走的空间距离,既然空间和时间都不存在了,速度的概念自然也就不存在了。

你可能还会说,光的速度不就是光速吗?确实如此,而且光也确实没有时间和空间概念。如果光有意识,它根本就不会知道时间到底是个什么东西,我们可以通俗理解为光的时间是静止的,任何再远的距离在光眼里都是近在咫尺,这也是为什么光在一瞬间可以跨越任何浩瀚的距离。

还有人会提出这样的质疑:你这种解释时间建立在相对论基础上的,难道相对论就是真理,就一定是正确的吗?

相对论当然不是真理,任何科学理论都不会是真理,但一百多年过去了,科学家们发现的所有证据都在支撑着相对论,我们当然有理由相信相对论。

现在来说说一开始所讲的「光速其实也可以被超越」的问题,该如何超越光速呢?

当然,绝对速度是无法超越光速的,我们可以通过「作弊」手段完成对光速的「间接」超越。

比如说,不同星系之间的恒星远离彼此的速度就超过了光速,因为宇宙膨胀的速度远超光速,而星系中的恒星会随着宇宙膨胀「超光速」飞行,当然这种现象并没有违反爱因斯坦的相对论。

相对论中的惯性系有一个重要前提:惯性系,而宇宙空间的膨胀过程与惯性系无关。

还有就是利用时空具有弹性的特点,压缩弯曲时空结构,甚至在时空结构中「打一个洞」,以上两种方式就是我们经常听到的曲速引擎技术和虫洞科技,其实就是通过「作弊」手段完成间接超光速,相当于走了捷径,本质上还是空间移动的速度,而非物体本身的绝对速度。

第三种超光速方式就是「切伦科夫辐射」超光速,核反应堆里会发出幽幽的蓝光,那就是粒子在水中超光速的表现。具体怎么回事呢?

由于光子在水中的速度会降低,只有真空中速度的大约四分之三,因此电子可以超过光子在水中的速度,然后就会发出那幽幽的蓝光,被称为「切伦科夫辐射 」。也就是说,电子超越的是水中的光速,并非真空中的光速。

总结

其实我们宇宙中存在光速限制,本质来讲还是因为我们所在的四维时空决定的。也就是说,光速是四维时空的固有属性,光速的背景就是四维时空,也可以理解为光速的传播介质就是四维时空。

如果你想完成对光速的超越,那么你就必须脱离四维时空的束缚,来到其他维度,比如说高维度时空。至于你该怎么脱离四维时空,脱离之后还能不能存活,还有高维度时空是否存在等问题,科学家们也不能确定。

完!