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还以为光速是宇宙最快的速度?醒醒吧,这四个速度远超光速

2024-06-26科学

假如我们接受因果性的现实,即原因始终先于结果出现,我们便需要认同这一基本的物理规律。

在宇宙中,所有带质量的粒子,或任何能传递信息的手段,其速度都必须低于真空中的光速。

光速的极限值为每秒299,792,458米,构成宇宙的粒子,如中微子、电子、质子和中子,其速度虽然极其接近,但永远不能触及这一极限。

这是因为质量与能量本质上是等同的,质量只是能量的另一种形式,一个物体的能量包括:静态能量(E=mcd^2)和动能。

当你开始加速一个粒子时,随着速度的提升,它的动能也随之增加。当速度无限接近光速时,动能亦将变得无限大。

此时,粒子的总能量也将变为无限大,这也是为什么我们常说无限接近光速的物质其质量会变得无限大。

要让物质达到光速,需要无限的能量。由于我们可观测到的宇宙是有限的,我们能获取的能量也是有限的,因此无法将一个有质量的粒子加速至光速。

你知道人类目前创造的最快速度吗?在大型强子对撞机中,我们已经将质子加速至每秒299,792,455米,与真空中光速的差距仅为0.000001%,几乎达到了光速。

你可能会思考,差这么一点点,是不是能量不够?真想亲手推一把那质子!那么将来我们增强磁场、扩大环形对撞机的直径,是否就能达到甚至超过光速呢?

事实上,接近光速并不复杂,关键看如何接近,最后的一点点往往是无法超越的。看看黑洞吧,它是宇宙中的巨兽,其磁场强度是对撞机的一万亿倍。

结果显示,它产生的宇宙射线中质子的能量是人类制造的3600万倍,但其速度仍然低于光速,为每秒299,792,457.9999999999999992米。

这仅差0.0000000000000008米/秒,说明了什么?光速确实是物质粒子速度的极限。无论如何操作,质量粒子的速度只能无限接近光速。

而那些无质量的粒子,如光子、胶子、引力子,这三种粒子天生就以光速运动。

那为何宇宙不允许质量粒子超过光速呢?

其实答案很简单,我在一开始就提到过,存在因果律。如果物质能超过光速,整个宇宙将彻底混乱,并可能崩溃。

a想象如果一颗子弹超过了光速,你可能会在看到某人扣动扳机之前,就看到子弹已经致人死亡,即结果在原因之前发生。这样的现实将变得完全混乱。

看看光子、胶子、引力子,这三种粒子负责传递电磁力、强力和引力,这三种基本力量将粒子结合起来形成万物。

如果有物质的速度能超过这三种粒子,那么这些基本力量将无法追上这种物质,怎样将物质结合起来呢?是的,万物将会崩解。

因此,某些物理规则是绝不允许被挑战的。除非你能改写整个宇宙的基本设定。

然而,我还要说,宇宙中确实存在比光速更快的现象。但这些现象并不违反基本因果律,它们不传递任何信息,也不影响基本力的传递。

因此这些现象在宇宙中是被允许的。

首先,就是宇宙诞生时空间的暴涨速度。

以前我们通常认为宇宙起始于大爆炸,从一个奇点开始,时间从零开始。但自从暴涨理论提出后,我们不再这样认为,这已是一个过时的概念了。

暴涨理论认为,时间并非从零开始,而是从10^-41秒开始,那时宇宙已经存在,其大小大约是地球到太阳的距离,一个天文单位。

当时空中并没有任何物质粒子,只有真空能量,而这种真空能量导致宇宙以指数级速度膨胀,并在10^-36秒时结束暴涨。

真空能量开始衰变成物质,产生了我们现在知道的以及未知的所有物质粒子和反粒子,这一过程被称为再加热阶段,也是所谓的热大爆炸的开始。

因此我们所说的大爆炸并不是一个瞬间的爆炸,而是描述当时的热膨胀状态,没有任何物体爆炸。

膨胀速度有多快?看看吧,宇宙诞生后的一秒,已达到1光年的范围,一年内达到了银河系的大小,这个速度远超光速。

其次,现在宇宙的膨胀速度,在136亿光年以外依然超过光速。

我们的宇宙仍在加速膨胀,这一点已被多次确认。宇宙的膨胀速率为每百万光年20公里/秒,意味着每增加1百万光年距离,空间的膨胀速度就增加20公里/秒。

这就像我们吹气球,或在烤箱中蒸面包一样,宇宙正是以这样的方式膨胀。按照这样的速度计算,目前136亿光年以外的星系,都在以超光速的速度远离地球。

但空间本身的超光速并不违反狭义相对论的基本原理,因为物理法则从未规定空间如何行动,而是限制了质量粒子在空间中的运动。

你可能会问,那星系不也是超光速了吗?星系的推移速度确实超过了光速,但它们并没有相对于空间在运动,而是我们与星系之间的空间在膨胀。

第三,量子世界里的纠缠现象。

这个现象让爱因斯坦非常头痛,因为它直接挑战了他的世界观。他认为这个世界是局部的,不能存在超光速,不存在所谓的鬼魅超距作用。

例如在量子世界里,两个相互耦合的伴生粒子就处在一个不确定的纠缠态中,当我们测量其中一个粒子时,如果它自旋向上,那么另一个粒子必定自旋向下。

神奇的是,不论这两个粒子相隔多远,这种超距作用依然存在,测量一个粒子,另一个会瞬间做出反应。

1964年,约翰·贝尔通过论文验证了量子纠缠的真实性,显然爱因斯坦错了,但他的相对论依然正确,因为我们无法利用量子纠缠以超光速的方式传递信息。

原因在于,每次测量一个粒子时,粒子表现出来的状态都是随机的,因此无法传递信息。

第四,介质中的超光速现象。

光不仅可以在真空中传播,也可以在介质中传播,但光在介质中的速度会降低,其中有效光速为c/n(n为介质的折射率,总是大于1)。

因此,光在水中的速度为0.75c,这个降速相当显著。例如在核反应堆中,释放的电子速度非常接近光速,因此此时的电子实际上比光子跑得更快。

反应堆发出的幽幽蓝光,正是电子突破光障时产生的切伦科夫辐射所致,这是一种光学「冲击波」。

总结

宇宙中的速度极限应该这样表述:传递信息的速度不能超过真空中的光速。而不应该表达为光速不可超越,这种表述是错误的。

如果未来我们能够制造出虫洞,即将时空折叠,我们就能突破距离的限制,前往宇宙的任何地方。但在真空中达到或超过光速旅行、传递信息是不可能的。#深度好文计划#