光速在宇宙中快吗?其实它慢如龟速,有三个速度远超光速
在爱因斯坦提出相对论后,我们才知道质量物体的速度有一个极限,即光速,而有质量物体只能无限接近光速,不可能达到光速。能达到光速的物质是那些没有质量的粒子,如光子、胶子、引力子,这些粒子的本质必然是以光速运动。
在许多人看来,光速是一种极快的超级速度,如果是在地球上,有这种速度你就能在地球的任何地方快速飞行。所以光速在宇宙中是一种非常快的速度吗?即使我们的视野仅仅停留在太阳系中,光速也是很快的,太阳系中的单光范围只需一年就能被观测到。
可以把视野放在整个星系上,光速就不会那么快了,直径为100,000光年的星系,需要100,000年才能走出来。假如我们把视野继续扩展到整个可观察的宇宙,光速就像龟速一样慢,930亿年后才能从可观察的宇宙中出来,你说它慢不慢。
因此面对宇宙时,光速其实并不重要,以这样的速度还不能进行星际航行,不能真正探索宇宙。看这,也许很多人对人类的未来都充满了失望和困惑,因为根据相对论,质量物体的速度只能无限接近光速,即使将来我们把飞船的速度提高到99.999%,也只能探索非常有限的范围,无法探索整个宇宙。
如果没有星际航行的能力,想要真正了解宇宙,无疑是不可能的,难道宇宙中的光速真的无法超越吗?实际上也不是,目前人类已经发现了三种超光速的速度。
宇宙大爆炸时膨胀率。
质体不能达到光速的主要原因是,物质拥有的动能随速度的增加而增加,当速度无限接近于光速时,动能就会变得无限大。此时,物质所含的总能量将变成无限大,而质量将变成无限大。因此,物质要达到光速,需要无限的能量,但是,在可观察到的宇宙中,我们能得到的能量是有限的。
材料不能达到光速,这是科学家进行了大量能量实验后得出的结论,目前人类通过粒子对撞机已能将粒子加速到299792,455米每秒,与真空中的光速相比仅差0.000001%,可以说非常接近光速。
尽管物质的极限速度是光速,但太空扩张则不在此限。许多朋友都知道,宇宙起源于奇点大爆炸,在138亿年前,它仅仅是一个奇点,在某种未知的力量的作用下,它开始迅速膨胀,从10^-41秒开始到10^-36秒,并经历了短暂的爆发。
在这个短暂膨胀期,空间中的真空能量开始衰变到物质中,产生我们现在知道的所有物质粒子和未知的反粒子,这个过程叫做再加热期,也就是热大爆炸的开始。
在此期间,宇宙膨胀得非常快,达到了惊人的速度,那么有多快?宇宙大爆炸后的一秒内,宇宙拥有1光年的距离,1年后,银河系也拥有1光年的距离,这个速度远远超过了光速。
138亿光年之外的宇宙膨胀速度。
宇宙空间自诞生以来,经过短暂的膨胀阶段后,并未停止膨胀,而是不断加速膨胀。距离我们越远的星系,离我们也越快,即距离我们越远,根据目前的观察,宇宙的膨胀速度是每百万光年20公里/秒,也就是说,每隔1百万光年,宇宙的膨胀速度就增加了20公里/秒。
以此速度计算,目前136亿光年外的星系空间,都在以超光速远离地球,而从地球发出的光子无法到达地球,我们也无法观察到138亿光年外的星系,因此就有了可观测的宇宙范围。
上述两种超光速方式都是太空扩张的一种速度,那么这种速度模式与爱因斯坦的相对论相违背吗?事实上,他们并没有违反狭义相对论,后者对速度的限制只限于空间中质量粒子的运动。但就空间本身而言,情况并非如此。
物理学中的相对论原理适用于物质世界,而空间则是另一套科学体系,在这个体系中,空间的速度是没有上限的,从理论上说,它可以无限地超过光速。正如虫洞一样,只要我们能在宇宙中自由地穿梭,掌握了空间的奥秘,也许就能用空间的速度超越光速,人类就能看到人类探索宇宙的希望,而虫洞就是这样一种模式。
第三,量子缠绕现象。
在此之前,我们已经看到,粒子的速度只能无限接近光速,即使是光子,引力子也只能以不超过光速的速度运行。但是,在量子力学中,在微观粒子的世界中,常常存在着许多对宏观理论的颠覆,其中最令人惊异的就是量子纠缠。
爱因斯坦一度对量子纠缠现象很感兴趣,并因此彻底颠覆了他的世界观。然而,事实的存在使爱因斯坦不得不面对现实,因此他提出了量子物理学理论"鬼魂般的远距离效应"。
量子力学中,伴随着互相耦合的两个粒子处于不确定的纠缠态,当我们测量其中一个粒子的状态时,如果它是自旋向上的,那么另一个粒子就一定是自旋向下的。令人惊奇的是,无论你将两个粒子分开多远,这种超距作用仍然存在,测量一个粒子,另一个粒子就会在瞬间做出选择。
这一量子纠缠瞬间反应的速度远远超过光速,甚至可以说已经无法用我们认知的速度理论来解释。不过,量子纠缠是一个纯粹发生在量子系统中的现象,在经典力学中,没有发现类似的现象。
我们仍然必须遵循相对论中速度的限制,试想如果一个物质的速度比光子,胶子,引力子还快,会发生什么情况?那时,整个宇宙都将陷入混乱,甚至分裂。
也许许多人不明白,其实很简单,宇宙中存在四种基本力,而传递这四种力要靠光子、胶子、引力子,它们能把所有东西都连接起来。一切存在都源于我们现在的宇宙,因此,从宇宙诞生之时起,就形成了这些物理规律,它们是不可质疑的。
但要实现超光速穿梭,只能在空间上想办法,即用空间的扭曲来驱动我们的飞船实现另一种超光速飞行,其中最令科学家们期待的还是虫洞,不过目前虫洞理论还只是个猜想,现实是否能实现,还是个未知数。
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