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光速在宇宙中快吗?其实它慢如龟速,有三个速度远超光速


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光速在宇宙中快吗?其实它慢如龟速,有三个速度远超光速

爱因斯坦提出相对论之后,让我们明白了有质量的物体速度是有极限的,这个极限就是光速,而且有质量的物体只能无限接近光速,并不能真正达到光速。能够达到光速的物质是那些没有质量的粒子,例如:光子,胶子,引力子,这三个粒子天生就必须以光速运动。

光速在很多人看来是一个快到极致的超级速度,如果是在地球上,有这样的速度你就可以在地球的任何地方快速穿梭。那么光速到了宇宙中还是一个很快的速度吗?如果我们的视野只是停留在太阳系,那么光速仍然是一个非常快的速度,一光年的太阳系只需要一年就可以走出去。

可如果将视野放到整个银河系,那么光速就没有那么快了,直径10万光年的银河系,走出去需要10万年。如果将我们将视野继续扩散到整个可观测宇宙,那光速就慢如龟速,以这样的速度要走出可观测宇宙需要930亿年,你说它慢不慢。

所以在宇宙面前,光速真的不算什么,以这样的速度还无法进行星际航行,无法真正探索宇宙。看到这里,可能很多人对于人类的未来充满了失望和迷茫,因为根据相对论,有质量的物体,速度只能无限接近光速,即使未来我们将飞船的速度提升到99.999%,也只能探索非常有限的范围,根本不可能探索整个宇宙。

没有星际航行的能力,我们想要真正了解宇宙,无疑是不可能的,难道宇宙中光速真的无法超越吗?其实也不是,目前人类已经发现了有三个速度远超光速。

一、宇宙大爆炸时的膨胀速度

有质量的物体之所以无法达到光速,主要是因为随着速度的不断增加,物质所拥有的动能也会不断增加,当无限接近光速的时候,动能也会变得无限大。这个时候,物质所含的总能量就会变得无限大,质量会变得无限大。所以物质要达到光速,需要无限的能量,可是在可观测宇宙范围内,我们可以获得的能量是有限的。

物质的速度无法达到光速,是科学家能量大量的实验得出的结论,人类目前通过粒子对撞机已经能够将粒子加速到299,792,455米/秒,跟真空中的光速比起来只差了0.000001%,可以说十分接近光速。

虽然物质的速度极限是光速,但是空间膨胀的速度却没有这个限制。相信很多朋友都知道,宇宙起源于奇点大爆炸,在138亿年前,宇宙还只是一个奇点,在某种未知力量的作用下,这个奇点开始快速膨胀,从10^-41秒开始到10^-36秒,经历了一个短暂的暴涨。

在这段短暂暴涨的阶段,空间中的真空能量开始衰变到物质中,产生了目前我们所知以及未知的所有物质粒子和反粒子,这个过程被称为再加热阶段,也是热大爆炸的开始。

这段时间内,宇宙空间膨胀的速度快到惊人,那么有多快呢?在大爆炸后的一秒内,宇宙空间就有了一光年的范围,一年后有了银河系的范围,这个速度远远超越了光速。

二、138亿光年外宇宙膨胀的速度

宇宙诞生之后,经历了短暂的暴涨阶段之后,并没有停止膨胀,而是一直都在加速膨胀。离我们越远的星系,远离我们的速度也越快,也就是膨胀的速度越快,根据目前的观测研究,宇宙膨胀的速率为20公里/秒/百万光年,也就是说每增加1百万光光年的距离,空间的膨胀速度就会增加20公里/秒。

根据这个速度计算,那么目前136亿光年以外的星系空间,都在以超光速远离地球,那里发出的光子无法来到地球,我们也就无法观测到138亿光年以外的星系情况,于是就有了可观测宇宙范围。

以上这两种超光速方式都是空间膨胀的一种速度,那么这种速度模式是否违反了爱因斯坦的相对论?其实它们并没有违反狭义相对论,狭义相对论对速度的限制仅限于质量粒子在空间中的运动。而对于空间本身的情况并不在此列。

相对论中的物理法则适用于物质世界,而空间则是另一套科学体系,在这套科学体系中,空间的速度是没有上限的,理论上它可以无限超越光速。正是空间的速度能够超越光速,让我们看到了人类探索宇宙的希望,只要我们掌握了空间的奥秘,或许就可以利用空间来实现超光速穿梭,例如虫洞就是这种模式,只要我们能够打开虫洞,就可以以宇宙中自由穿梭。

三、量子纠缠现象

前面我们看到了粒子的速度只能无限接近光速,即使是光子,引力子也只能以光速运行,无法超越光速。可是在量子力学中,在微观粒子的世界里,往往存在着很多颠覆宏观理论的现象存在,其中以量子纠缠最为鬼魅。

量子纠缠现象曾经让爱因斯坦感到头疼不已,它完全冲击了爱因斯坦的世界观。可是真实现象的存在让爱因斯坦不得不面对现实,从而提出了“幽灵般的远距效应”的量子物理理论。

在量子世界里,两个伴生相互耦合的粒子就处在一个不确定的纠缠态,当我们测量其中一个粒子的状态是,如果它自旋向上,那么另外一个粒子此时必定自旋向下。神奇的是,不管你把这两个粒子分离到多远的距离,这种超距作用依然存在,测量一个粒子,另外一个会瞬间做出选择。

这种量子纠缠瞬间反应的速度远远超越了光速,甚至可以说已经无法用我们认知中的速度理论来进行解释。好在量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象,在经典力学里,找不到类似的现象。

在物理世界里,我们仍然要遵循相对论对速度的限制,试想一下如果一个物质的速度比光子,胶子,引力子还要快,会发生什么?那个时候整个宇宙将会陷入混乱,甚至是分崩离析。

可能很多人对此不理解,其实非常简单,宇宙存在着四种基本力,而传递这四种基本力需要依靠光子,胶子,引力子,它们将粒子结合在一起组成了万物。万物的存在才有了我们现在的宇宙,所以这些物理法则从宇宙诞生的那一刻就形成了,它们是不容挑战的。

而我们想要实现超光速的穿梭,只能在空间上想办法,也就是利用空间的扭曲带动着我们的飞船实现另类的超光速飞行,其中最让科学家期待的还是虫洞,只不过目前虫洞理论还只是存在于猜想中,现实是否能够实现,还是一个未知数。


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