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你是不是以为宇宙里光速是最快的?醒醒吧,这四个速度远超光速

2024-08-15科学

如果我们承认因果关系的现实性,即因果前后的顺序不可逆,我们就必须遵守一个基本的物理原则。

在这个宇宙中,所有具有质量的物质粒子,或任何能传递信息的方式,都不能超过真空中光速的上限。

这个速度极限是299,792,458米/秒,无论是中微子、电子、质子还是中子,构成我们宇宙的这些粒子的速度都无法达到这一极限,只能非常接近它。

这是由于质量与能量的等价性,质量实际上是能量的另一种形态,一个物体的能量由静止能量(E=mcd^2)和动能组成。

当你对一个粒子施加加速时,随着其速度的提升,其动能会相应增加。当速度无限接近光速时,动能也将变得无限大。

在这种情况下,粒子的总能量同样会变得无限大,这也是为什么说接近光速的物质质量会变得无限大的原因。

要使一个有质量的粒子达到光速,需要无限的能量。由于我们可观测的宇宙资源有限,我们无法为粒子提供足够的能量使其达到光速。

你知道人类制造的最快速度是多少吗?在大型强子对撞机中,质子的加速已达到299,792,455米/秒,与真空中光速的差距仅为0.000001%。

你可能会想,只差这么一点,是不是能量还不够呢?实际上,未来即使我们增强磁场或扩大对撞机的半径,也无法使质子达到或超过光速。

实际上,接近光速并不复杂,问题在于最后一小段几乎无法突破。例如,黑洞拥有巨大的能量,其磁场强度是对撞机的一万亿倍。

但是,从黑洞产生的宇宙射线中的质子,其能量是人造的3600万倍,速度却仍低于光速,为299,792,457.9999999999999992米/秒。

这表明即便差距极小,也达不到光速,光速确实是物质粒子的极限速度。无论如何努力,质量粒子的速度只能无限接近光速。

而像光子、胶子、引力子这类无质量粒子,则天生就以光速运动。

宇宙之所以不允许质量粒子超光速,原因很简单。我之前提到过,如果物质能超光速,整个宇宙的秩序就会陷入混乱。

比如,如果一颗子弹能超过光速,那么子弹可能在你看到有人扣动扳机之前就已经击中目标,这意味着结果会先于原因出现,这会使现实变得无法理解。

光子、胶子、引力子这三种粒子负责传递电磁力、强力、引力,这些基本力量把粒子结合起来形成万物。

如果有物质能超过这三种粒子的速度,那么这些基本力量将无法追上该物质,无法将其结合,从而导致万物崩解。

因此,某些物理规律是我们无法违背的。除非能改写宇宙的基本规则。

尽管如此,宇宙中确实存在一些超光速的现象,但这些现象不违反基本的因果律,也不传递任何信息,不影响基本力的作用,因此宇宙允许这些现象存在。

1. 宇宙诞生时的空间暴涨就是一个例子。

我们曾认为宇宙始于大爆炸,从一个奇点开始,时间从零开始。然而,自从暴涨理论提出后,我们不再持这种观点,认为这是一个过时的概念。

暴涨理论表明,时间并非从零开始,而是从10^-41秒开始,当时的宇宙已经存在并且大小约为一个天文单位。

那时宇宙中没有物质粒子,只有真空能量,这种能量使宇宙以指数级速度膨胀,并在10^-36秒后暴涨结束。

随后,真空能量开始转变为物质,形成了我们所知道的以及未知的所有物质粒子和反粒子,这一过程称为再加热阶段,也是所谓热大爆炸的开始。

因此,我们通常所说的大爆炸并非指一个爆炸事件,而是描述当时的高温、快速膨胀状态。

膨胀速度有多快?宇宙诞生后的一秒钟,其范围已扩展至1光年,一年后达到了银河系的大小,这个速度远远超过了光速。

2. 宇宙当前的膨胀速度,在136亿光年之外的区域依然超过光速。

现代宇宙仍在加速膨胀,这已是众所周知的事实,宇宙膨胀的速率为20公里/秒/百万光年。

这类似于吹气球或在烤箱中蒸面包,宇宙就是以这种方式膨胀的。按照这个速度计算,目前位于136亿光年之外的星系正以超光速的速度远离地球。

但宇宙空间本身的超光速膨胀并不违反狭义相对论的基本原则,因为物理法则从未规定空间本身的行为,而是限制了质量粒子在空间中的运动。

你可能会问,星系难道不也随之超光速了吗?星系的移动速度的确超过了光速,但它们并没有相对于空间移动,而是位于我们和星系之间的空间在膨胀。

3. 量子世界中的纠缠现象也是一个例子。

这一现象极具争议性,曾让爱因斯坦感到困扰,因为它直接挑战了他的世界观,即他认为宇宙具有局域性,不存在超光速现象,也没有所谓的鬼魅超距作用。

在量子世界中,两个伴生耦合的粒子处于一个不确定的纠缠态,当其中一个粒子的状态被测量时,如果它自

旋向上,则另一个粒子此时必定自旋向下。

令人惊讶的是,不管这两个粒子被分离多远,这种超距作用仍然存在。测量一个粒子,另一个立即做出响应。

1964年,约翰·贝尔通过论文验证了量子纠缠的现实性,表明爱因斯坦在这一点上可能错了,尽管他的相对论依然站得住脚,因为我们无法利用量子纠缠以超光速方式传递信息。

这是因为每次对一个粒子进行测量时,该粒子表现的确切状态都是随机的,因此无法通过这种方式传递信息。

4. 在介质中的超光速现象也是一种特例。

光不只在真空中传播,也能在介质中传播,但在介质中光速会下降,有效光速为c/n(其中n为介质的折射率,总是大于1)。

因此,光在水中的速度只有0.75c,这种降速相当显著。例如,在核反应堆中释放的电子速度接近光速,因此有时候电子的速度会超过光子。

反应堆发出的幽蓝光正是电子突破光速障碍时产生的切伦科夫辐射,这是一种光学「冲击波」。

总结

宇宙中的速度极限应该这样理解:传递信息的速度不能超过真空中的光速。而非光速本身不可超越,这种说法是不准确的。

如果未来我们能构造虫洞,即实现时空的折叠,我们就能突破距离的束缚,前往宇宙的任何角落。然而,在真空中实现达到或超越光速的旅行和信息传递仍是不可能的。