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為什麼不能超越光速?光速限制的本質到底是什麼?
2023/02/04

在很多人的固有思維里,光速不可超越,光速是宇宙中的速度極限,任何物體的速度都不可能超越光速。

其實這種觀點并不嚴謹,光速并不是不可超越。當然,我并不是信口開河,科學是需要講究證據的。

不過,要想超越光速,人類必須在一些特定條件下才能完成,說白了我們需要使用某些「作弊」手段才可以超越光速。

這個暫且放一放,后面會講,我們先來說說為什麼光速不可超越。

目前人類能創造出來的極限速度是在大型粒子對撞機中實現的,利用強大的電場不斷讓粒子加速。

比如說,強子大型對撞機中,可以讓質子的速度達到0.9999999896倍光速,這個速度已經非常接近光速了,差別微乎其微。

但即便是再微小的差異,對于我們來講也是難以逾越的鴻溝,不是我們努努力就能做到的,而是不可能做到的。

即便質子的速度如此接近光速,不過還有比質子速度更快的粒子,電子。我們都知道,電子的質量遠小于質子,比質子的質量小一千多倍,所以科學家能把電子的速度加速得更快,速度僅僅比光速慢了每秒3.6毫米。

你可能會這樣想?什麼,僅僅慢了3.6毫米,再加把勁不就達到甚至超過光速了嗎?剛才說了,不要小看這微小的差距,那是我們不可能突破的。

那麼,為什麼不能突破光速呢?

讓物體不斷加速,需要極大的能量,尤其是當物體的速度非常接近光速時,要想讓物體繼續加速,就需要更大的能量才行。

所以說,宇宙中的速度限制其實也是能量限制。科學家們發現,當微觀粒子攜帶的能量達到一定量時,大自然就開始出手干預了,不讓粒子的能量超過一個閾值,這個閾值就是5×10^19eV,也就是所謂的「GZK極限值」 。

GZK極限,是以三位科學家名字的首字母來命名的。

如果一個粒子的能量超過GZK極限值,就會和宇宙微波背景里的光子發生作用,然后產生π介子,而π介子會消耗能量,大約為135Mev,消耗能量之后,粒子的能量就會降低到GZK極限值以下。

GZK極限值決定了無論多高的能量,都不可能讓任何粒子的速度達到或者超越光速。

那麼,如果將來某天,宇宙微波背景輻射隨著宇宙加速膨脹而消失不見了呢?粒子在獲得足夠能量之后會不會超過光速呢?

并不會!因為隨著宇宙的膨脹,粒子的能量會變得越來越低,波長會被無限拉伸,直到最終被拉伸到波長很長的無線電波。

當然,還有一種方式同樣可以解釋光速為何是宇宙速度極限,這種方式就是愛因斯坦的相對論。

從狹義相對論的質增效應來講,隨著物體速度變大,物體的質量也會變大。當速度無限接近光速時,物體的質量變得無窮大,想要讓物體再加速,就需要無窮多的能量,整個宇宙的能量都做不到,顯然這是不可能的。

還有,隨著速度變大,時間和空間也會發生變化,因為相對強調時空結構并不是一成不變的。當速度無限接近光速時,任何遙遠的距離都會近在咫尺,時間也會趨于靜止。

也就是說,如果你以光速飛行,你所在的空間維度就會變成零,時間也會靜止不動,這種情況是不可能出現的,因為零維度并不存在于我們的世界,在整個宇宙歷史上只出現過一次,那就是宇宙大爆炸的瞬間,當時的奇點就是零維度,超出我們認知的存在方式。

所以說,以光速飛行或者說超光速飛行,在物理學上是沒有實際意義的。

當然,你或許會說相對論萬一錯了呢?如果果真如此的話,那完全就是另一幅模樣了。任何理論都是建立在假設的基礎上提出來的,你完全有理由不相信相對論,但事實情況是,越來越多的證據支持愛因斯坦的相對論,而不是表明它是錯的。

最後來說一下文章開頭的問題:如何超越光速?

光速不可超越,其實是有條件的,那就是在本地空間,或者簡單理解為同一個參照系內。比如說,我們經常說的蟲洞概念,通過蟲洞你可以瞬間跨越幾千甚至上萬光年的距離,你的速度看起來遠超光速。

但這種超光速只是與蟲洞外面的光速相比。如果有一束光與你同時穿越蟲洞,你的速度就不可能超越光速。

還有就是著名的切倫科夫輻射,在核反應堆中會會發出藍光,原因就在于,由于光在水里的速度會變慢,這就給了電子超越光速的機會。當然電子超越的并不是每秒30萬公里的速度,只是超越了光在水中的速度,這個速度只有光在真空中速度的四分之三,大約,每秒22.5萬公里。

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