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光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)

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  • 2021-09-10 18:25:02
  • 宇宙探索

2021光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)

相信大家都知道爱因斯坦的相对论,或许你不是很了解,但起码听说过。相对论又分为狭义相对论和广义相对论,其中狭义相对论中有一个重要核心就是“光速限制”,简单说就是“光速是宇宙速度极限”。

光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)(图1)

光速的这种特性也意味着因果关系的存在,我们的现实世界存在因果性,说白了结果一定是在原因之后发生,这也是大自然的一个基本法则。

这个很容易理解,举个简单的例子,你打自己一记耳光,然后才会感觉到疼。不可能出现下面这种情况:你先感觉到脸疼,然后自己打自己一耳光。

不过相对论中的“光速限制”并不是绝对的,说具体点:大自然中任何具有静质量的物体,或者任何携带信息能量的物体都不可能超光速。

速度极限光速大约每秒30万公里(准确值299,792,458米/秒),宇宙万事万物,不管是我们每天看到的宏观物体,还是非常微小的微观粒子,比如说电子,质子,中子等都不能以光速飞行,只能无限接近光速。

为何不能达到光速?

狭义相对论表明,物体速度越大质量就越大(更严谨的说法是动能更大),如果物体无限接近光速,动能就变得无限大。而能量与质量其实是等效的,能量和质量只是物体表现出来的两面性而已。

如果想要一个物体达到光速,意味着需要无限多的能量,整个宇宙的能量都不够,这显然是不可能的。

人类目前创造的最快速度已经非常非常接近光速了,在大型粒子对撞机中可以把微观粒子的速度加速到299,792,455米/秒,达到了光速的99.999999%!与光速只差了一点点。

但不要小瞧这一点点,不要认为“我们加把劲”就能达到甚至超越光速了,这“一点点”就是永远不能逾越的鸿沟。不要说渺小的人类了,就是最恐怖的黑洞,也无法把物体的速度加速到光速。

光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)(图2)

但狭义相对论中的“光速限值”只是限值有静质量的物体,这意味着如果没有静质量,可以达到光速,准确地说“没有静质量的物体必须以光速飞行”。

比如说引力子(目前还是假设概念),胶子,光子等天生就以光速飞行,没有任何加速过程。

光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)(图3)

爱因斯坦的狭义相对论体现了光速限值,其实自然界本身必须有光速限值,因为自然界中有我们熟悉的因果律,如果一个物体超光速飞行,因果律将被打破,整个宇宙就彻底陷入混乱,甚至会分崩离析。

举个例子,如果可以超光速,你用猎枪射杀猎物,子弹的速度超光速,你会看到猎物先倒下,然后你才会扣动扳机,因果律完全被打破了,现实世界彻底乱套,让人捉摸不定。

再到这个世界的现实本质,这个世界是由物质组成的,而物质是靠基本的作用力电磁力,强力,引力组合在一起的,而这三种基本作用力又是靠光子,胶子,引力子传递作用力的。如果物体的速度超越光速,意味着以上三种力根本追不上物体本身,怎么可能把物质粘合在一起呢?

没有物质,又哪来的宇宙呢?

不过话说回来,“光速限值”并不是绝对的,是有前提的,这个前提就是“任何具有静质量,携带信息和能量的物质都无法超越光速”,这意味着大自然并没有彻底关闭“超光速”的大门,还给我们“开了一扇窗”去尽情地超光速。以下就是几种超光速现象,而且是远超光速。

在某种介质中超光速

光速每秒299,792,458米/秒是真空中的速度,其实现实中光速是达不到这个速度的,因为大自然中充满了各种介质,而光在介质中的传播速度总是小于光速,传播速度为c/n,其中c是光速,n是介质折射率,n总会大于1。事实上多数时候,介质中的光速远小于真空中的光速。比如说光在水中的速度只有0.75c。

利用光的这种特性,我们就可以在某种介质中“超越光速”(当时不是真空中的光速,而是介质中的光速),达到“光障”效果。科学家也确实做到了。

光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)(图4)

一个物体可以在比介质中的光更快的速度穿越介质,产生光光激波(光障),这种光波被称为“切伦科夫辐射”(怪异的蓝光)。物体必须在密度比较大的介质中快速移动,光障效果才可以被我们的肉眼看到。比如说,核反应堆以非常高的速度喷出电子,高速电子穿越冷却水的速度就比水中的光速还要快,就会产生锥形激波。

宇宙大爆炸时的暴涨速度

光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)(图5)

长期以来,科学家认为宇宙起源于一次大爆炸,一个体积无限小质量密度无限大的奇点是一切的开端,一切都是从零开始的。不过暴涨理论出现之后,大爆炸理论似乎有点过时了。

该理论认为,时间并不是从奇点的突然膨胀开始的,而是从10^-41秒开始的,这个时候宇宙已经存在,大小大约为一个天文单位(1.5亿公里)。

光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)(图6)

当时的宇宙不存在任何物质,只有真空能,真空能促使宇宙以指数级膨胀,然后暴涨在10^-36秒瞬间结束,非常短暂。

此后真空能衰变成为物质,包括我们如今所知的基本粒子和反粒子。然后开始迅速膨胀。

膨胀的速度有多快?一秒之内就膨胀到了一光年大小了,一年之后大约就有现在银河系的大小了,想象一下这个速度,光速在此速度面前不值得一提!即便是138亿年后的今天,宇宙膨胀的速度仍旧远超光速,不但如此,宇宙膨胀速度一直在加速,宇宙空间每增加1百万光年的距离,膨胀速度就会增加20公里每秒,这就像我们吹气球一样,气球上两个点的距离会越来越远,而且相互远离的速度会越来越快。

光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)(图7)

空间膨胀速度远超光速并不违反相对论,空间中的物体只是跟着空间在运动,彼此之间并没有传递信息。

光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)(图8)

诡异的量子纠缠

光速每秒多少公里(光速是宇宙速度的极限)(图9)

相信很多人都听说过“量子纠缠现象”,它如此诡异,以至于被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”,也让爱因斯坦十分头疼,因为量子纠缠现象彻底颠覆了经典物理,他认为我们的世界具有局域性(也就是不能超光速),而量子纠缠现象则属于非局域性。

比如说,在量子世界里,发生耦合的两个微观粒子,不管它们相距多远,哪怕在宇宙的两端,只要我们测量其中一个微观粒子的状态,如果说粒子的自旋向下,那么另一个粒子的自旋必定向上,看起来好像它们存在“心灵感应”一样,彼此之间能根据对方的状态瞬间做出决定。

虽然量子纠缠现象非常诡异,但科学家确实验证了这种现象的真实存在性。结果就是爱因斯坦错了,但并不是说他的相对论错了。

量子纠缠与相对论中的“光速限值”并不矛盾,量子纠缠中的两个粒子并不能传递任何信息。因为当我们测量其中一个微观粒子的状态时,粒子表现出来的状态其实都是随机的,而且每一次测量都意味着量子纠缠的坍缩,也就是说一旦我们实施了测量之后,纠缠态马上就会消失,粒子之间不再发生纠缠。

所以说,“光速不可超越”这种说法其实是不严谨的,因为这种说法并不是绝对的,是有前提条件的。应该说是任何信息的传递速度都无法超越光速(真空中的光速)。

这种非绝对性也算是大自然留给我们的“漏洞”,我们可以利用这个“漏洞”进行“超光速”旅行,比如说虫洞和“曲速引擎”的概念,就是利用空间的弹性,折叠,甚至撕裂来瞬间跨越浩瀚星际距离。

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