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你是不是以為宇宙裏光速是最快的?醒醒吧,這四個速度遠超光速

2024-08-15科學

如果我們承認因果關系的現實性,即因果前後的順序不可逆,我們就必須遵守一個基本的物理原則。

在這個宇宙中,所有具有質素的物質體子,或任何能傳遞資訊的方式,都不能超過真空中光速的上限。

這個速度極限是299,792,458米/秒,無論是微中子、電子、質子還是中子,構成我們宇宙的這些粒子的速度都無法達到這一極限,只能非常接近它。

這是由於質素與能量的等價性,質素實際上是能量的另一種形態,一個物體的能量由靜止能量(E=mcd^2)和動能組成。

當你對一個粒子施加加速時,隨著其速度的提升,其動能會相應增加。當速度無限接近光速時,動能也將變得無限大。

在這種情況下,粒子的總能量同樣會變得無限大,這也是為什麽說接近光速的物質質素會變得無限大的原因。

要使一個有質素的粒子達到光速,需要無限的能量。由於我們可觀測的宇宙資源有限,我們無法為粒子提供足夠的能量使其達到光速。

你知道人類制造的最快速度是多少嗎?在大型強子對撞機中,質子的加速已達到299,792,455米/秒,與真空中光速的差距僅為0.000001%。

你可能會想,只差這麽一點,是不是能量還不夠呢?實際上,未來即使我們增強磁場或擴大對撞機的半徑,也無法使質子達到或超過光速。

實際上,接近光速並不復雜,問題在於最後一小段幾乎無法突破。例如,黑洞擁有巨大的能量,其磁場強度是對撞機的一萬億倍。

但是,從黑洞產生的宇宙射線中的質子,其能量是人造的3600萬倍,速度卻仍低於光速,為299,792,457.9999999999999992米/秒。

這表明即便差距極小,也達不到光速,光速確實是物質體子的極限速度。無論如何努力,質素粒子的速度只能無限接近光速。

而像光子、膠子、重力子這類無質素粒子,則天生就以光速運動。

宇宙之所以不允許質素粒子超光速,原因很簡單。我之前提到過,如果物質能超光速,整個宇宙的秩序就會陷入混亂。

比如,如果一顆子彈能超過光速,那麽子彈可能在你看到有人扣動扳機之前就已經擊中目標,這意味著結果會先於原因出現,這會使現實變得無法理解。

光子、膠子、重力子這三種粒子負責傳遞電磁力、強力、重力,這些基本力量把粒子結合起來形成萬物。

如果有物質能超過這三種粒子的速度,那麽這些基本力量將無法追上該物質,無法將其結合,從而導致萬物崩解。

因此,某些物理規律是我們無法違背的。除非能覆寫宇宙的基本規則。

盡管如此,宇宙中確實存在一些超光速的現象,但這些現象不違反基本的因果律,也不傳遞任何資訊,不影響基本力的作用,因此宇宙允許這些現象存在。

1. 宇宙誕生時的空間暴漲就是一個例子。

我們曾認為宇宙始於大爆炸,從一個奇異點開始,時間從零開始。然而,自從暴漲理論提出後,我們不再持這種觀點,認為這是一個過時的概念。

暴漲理論表明,時間並非從零開始,而是從10^-41秒開始,當時的宇宙已經存在並且大小約為一個天文單位。

那時宇宙中沒有物質體子,只有真空能量,這種能量使宇宙以指數級速度膨脹,並在10^-36秒後暴漲結束。

隨後,真空能量開始轉變為物質,形成了我們所知道的以及未知的所有物質體子和反粒子,這一過程稱為再加熱階段,也是所謂熱大爆炸的開始。

因此,我們通常所說的大爆炸並非指一個爆炸事件,而是描述當時的高溫、快速膨脹狀態。

膨脹速度有多快?宇宙誕生後的一秒鐘,其範圍已擴充套件至1光年,一年後達到了銀河系的大小,這個速度遠遠超過了光速。

2. 宇宙當前的膨脹速度,在136億光年之外的區域依然超過光速。

現代宇宙仍在加速膨脹,這已是眾所周知的事實,宇宙膨脹的速率為20公裏/秒/百萬光年。

這類似於吹氣球或在烤箱中蒸麪包,宇宙就是以這種方式膨脹的。按照這個速度計算,目前位於136億光年之外的星系正以超光速的速度遠離地球。

但宇宙空間本身的超光速膨脹並不違反狹義相對論的基本原則,因為物理法則從未規定空間本身的行為,而是限制了質素粒子在空間中的運動。

你可能會問,星系難道不也隨之超光速了嗎?星系的移動速度的確超過了光速,但它們並沒有相對於空間移動,而是位於我們和星系之間的空間在膨脹。

3. 量子世界中的纏結現象也是一個例子。

這一現象極具爭議性,曾讓愛因斯坦感到困擾,因為它直接挑戰了他的世界觀,即他認為宇宙具有局域性,不存在超光速現象,也沒有所謂的鬼魅超距作用。

在量子世界中,兩個伴生耦合的粒子處於一個不確定的纏結態,當其中一個粒子的狀態被測量時,如果它自

旋向上,則另一個粒子此時必定自旋向下。

令人驚訝的是,不管這兩個粒子被分離多遠,這種超距作用仍然存在。測量一個粒子,另一個立即做出響應。

1964年,約翰·貝爾透過論文驗證了量子纏結的現實性,表明愛因斯坦在這一點上可能錯了,盡管他的相對論依然站得住腳,因為我們無法利用量子纏結以超光速方式傳遞資訊。

這是因為每次對一個粒子進行測量時,該粒子表現的確切狀態都是隨機的,因此無法透過這種方式傳遞資訊。

4. 在介質中的超光速現象也是一種特例。

光不只在真空中傳播,也能在介質中傳播,但在介質中光速會下降,有效光速為c/n(其中n為介質的折射率,總是大於1)。

因此,光在水中的速度只有0.75c,這種降速相當顯著。例如,在核反應堆中釋放的電子速度接近光速,因此有時候電子的速度會超過光子。

反應堆發出的幽藍光正是電子突破光速障礙時產生的切倫科夫輻射,這是一種光學「沖擊波」。

總結

宇宙中的速度極限應該這樣理解:傳遞資訊的速度不能超過真空中的光速。而非光速本身不可超越,這種說法是不準確的。

如果未來我們能構造蟲洞,即實作時空的折疊,我們就能突破距離的束縛,前往宇宙的任何角落。然而,在真空中實作達到或超越光速的旅行和資訊傳遞仍是不可能的。