光速是不是已知的最快速度?速度极限是多少?带你感受速度的世界
光速到底有多快?上一秒你在地球上看日出,下一秒就在月球轨道附近,而人类的探测器去月球轨道要100多个小时。
如果人类以光速飞行,从1977年发射旅行者号算起,我们已经航行了40多光年的距离了。
地球与太阳光
但是这或许只是白日做梦,人类制造出来的速度最快也是只无限逼近光速,完成这项壮举的是粒子,不是宏观的物体。
那么,宇宙中有比光速还快的速度吗?速度的最大极限是多少?
光速飞行光速
人类很早就意识到了光的重要性,早在远古时期,没有太阳的日子人们会觉得天塌下来了,于是纷纷把太阳作为自己的图腾,古埃及、玛雅文明以及我国的三星堆文明都将太阳视为自己的信仰。
人们第一次深入认识光是牛顿用三棱镜制造出第一条人造彩虹 ,那一刻牛顿才知道,光居然是一种"混合物"。
牛顿还认为光是七色粒子组成的 ,出现彩虹是因为粒子落到了不同的区域。
三棱镜与彩虹
另一位研究弹簧的科学家胡克则认为,光是一种波 ,它可以拉伸、缩短,出现七色光实际上就是因为它们被不同程度拉伸了。
牛顿和胡克其实都对了,但是没有完全对,二者结合起来才是真的光 ,既有粒子的特性,也有波的特性,这叫波粒二象性。
既然光是一种一种波,那么这个波是有速度、频率、波长的,之后科学家们对光进行了彻彻底底的分析。
当光照射过来
其实早在1676年就有天文学家奥勒·罗默 发现光的速度非常快,飞行9000英里的距离只需要1秒钟左右。
这个时期人们对光的性质还没有定性,以巴黎天文台为首的科学家反对它的光速理论,但是奥勒·罗默获得了牛顿等科学家们的支持。
也正是从这以后,光速很快的概念深入到了每一个物理学家的心中。
第一个测量光速的奥勒·罗默
而真正让光速成为王道速度的人是爱因斯坦 ,他指出无论在哪个体系中,光速都是不变的。
爱因斯坦的理论诞生一个新的概念——时空 ,现代的穿越剧祖师爷非他莫属,没有爱神的相对论,所有穿越剧都没有科幻理论支持,容易让人觉得假。
可是一旦引入爱因斯坦的理论,那么无论什么穿越都变得合情合理起来。
爱因斯坦和他的质能方程
在爱因斯坦大神的时空观里面,达到光速98%其实就已经可以穿越时空 ,看到过去发生的事情。
同时,爱因斯坦根据自己方程式的变化式子得出结论,没有物质能够超越光速,我们如果想要达到光速,就得付出质量无限大的代价 ,很显然宇宙没有无限大的物质。
那么,人类真的不能超越光速吗?
人类设想的曲率引擎难以超越
人类是宏观物质,不但超过不了光速,甚至连达到光速的1%都很困难 ,真正接近光速的是那些微观粒子。
利用电场给带电粒子加速,让它们达到更快的速度,并利用磁场控制它们的运行轨迹,最终达到想要的效果。
人类加速的最快粒子速度无限逼近光速的99.99% ,始终无法真正成为光速,而最快的宏观飞行器是帕克太阳探测器,最快速度是72万公里/小时,这个速度,真的是连光速的尾气都看不到。
粒子加速器
而且,就算人类真的达到了光速,想要探索宇宙也是很困难的 ,因为人类还有一个问题难以克服,那就是时间。
宇宙中的距离已经无法用常见的千米来测量,它需要动用一个天文数字——光年 。
公里仅限于一个恒星系内使用,当涉及到恒星之间的距离时,应该使用光年。
我们的邻居比邻星
比如我们的邻居恒星到地球的路程是4.2光年,光速飞行耗时4年多,这个时间人类还能接受。
那么再比如超级地球格利泽581g,它与地球的距离是21光年,经历21年到达,青年变中年。
另一颗超级地球开普勒22b,距离地球638光年,用光速飞过去,得从明朝开始飞起,没人能活这么长的时间。
更何况到达光速本就是不可能完成的事情,至少现在我们不可能。
地球和开普勒22b超越光速的存在
光速是人类已经最快的速度,但不是宇宙最快的速度 ,因为光速有两个方面无法完成:
第一个是逃离不了黑洞的引力,另一个就是追不上宇宙膨胀的步伐。
黑洞是宇宙中的一个天体,它质量很大但是体积却很小,密度特别大,任何物质靠近都会被吸引进去,光也不例外。
起初人们认为光不会被任何天体吸引,因为已经证实光子没有静止质量 ,按照牛爵爷的万有引力,需要双方的质量。
黑洞吞噬光
但是爱因斯坦认为,引力并不是质量产生的,它是天体周围的空间发生了弯曲,导致周围的空间凹下去了。
光子没有静止质量但是它是物质,当它靠近引力场的时候,会顺着弯曲的空间掉下去。
一般的引力场太弱,即便发生了些许偏转,也很难发现,只有引力场足够大的,才能改变光的直线传播,比如中子星和黑洞。
引力场
这就是像河流表面的旋涡,光子就是漂浮在河面的树叶,树叶靠近旋涡被吸引进去,于是我们看不到树叶了。
同理,黑洞将光吸收,我们看不见它发出来的光,于是黑洞在人类看来就是黑漆漆的。
光逃不出黑洞的"五指山" ,黑洞内部有比光速更快的物质,只是我们看不见,光进去之后,说不定就会变成这种物种。
还有一种超越光速的存在,那就是宇宙膨胀的速度 。
宇宙的膨胀
光是在宇宙大爆炸的时候产生的,如果我们把宇宙爆炸的点称为起点,那么宇宙的边界就是爆炸的终点。
我们观测到的宇宙范围,并不是大爆炸的终点,因为在爆炸之后很长一段时间里,膨胀的速度大于光速。
光正在努力追赶宇宙的边界 ,所以我们看到的宇宙并不是真正的宇宙,只是宇宙的一部分。
膨胀速度大于光速的证据就是红移,即在膨胀的空间里,光被拉长了 。
光波被拉长
科学家们已经验证了光是一种波,当它被拉长后,颜色会偏向于红色,并逐渐离开可见光的区域,变成红外线。
如果光速比宇宙膨胀的速度快,那么宇宙中的光应该是被压缩的,它会出现蓝移,但是宇宙中的光是红移,这说明光没有追上膨胀的空间。
不管是蓝移还是红移,我们能看到的光都会消失,所以天文学家哈勃曾说过,人类能观测到的星系其实是越来越少的。
可视宇宙速度与激情
人类的速度对于宇宙来说太慢了,一部分天文学家们对于人和宇宙的关系很悲观,他们认为宇宙早已经确定,我们人类只是其中的一个过程 。
这就像你我的结局已经注定,或许前方是不归之路,但我们不知道,还怀着希望向前走去。
是不是感觉很绝望,宇宙就和它的温度一样冰凉,如果不是因为还有尘埃 ,宇宙的温度将会是绝对的零度,尘埃反而成了宇宙"温暖"的来源。
宇宙的尘埃
可谁又能否认,人类不是宇宙的尘埃呢?
人类对于宇宙来说算是物质,我们也是大爆炸的产物,我们的质量来自宇宙大爆炸的能量。
作为人类的代表,旅行者1号和2号朝着宇宙的空间前进,它们也在追逐宇宙,犹如蚍蜉与大树。
飞向宇宙
有趣的是,爱因斯坦的相对论只说到了回到过去,却没有说到前往未来,因为未来永远比人类快一步。
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