光速无法被超越,其根本原因是什么?

蛇君如墨2023-02-08  31

光速一直以来都是一个老生常谈的话题,我们也会经常在科幻电影中看到利用虫洞或其他技术让飞船实现亚光速飞行进行星际旅行,不过以目前的科学理论来说,这些科幻技术是不可能实现的。

光速每秒299792458米,是宇宙中物质运动速度的上限,而光速不可超越则是出自于爱因斯坦的狭义相对论。在狭义相对论中提到:有质量的物体是不可能超越光速的,只能无限地接近光速,却永远都无法达到光速。

狭义相对论。

首先从要从爱因斯坦的质能方程E=mc²说起。在此方程中,物质的质量m和能量E是等价的,即物质的质量越大,其能量也就越大,同时也意味着物质所含能量越大,那它的质量也就越大,这也就是说当速度越来越接近光速的时候,质量将会增加。

当一艘飞船以90%的光速飞行,那它此时的质量是飞船相对静止时的两倍,并且还意味着其引擎也要加倍输出才能使飞船加速前进。

即一个物体的运动速度越大,其质量就会越大,那么维持其高速运行时所需的能量也就越大,当物体接近光速时,其维持接近光速运动的能量就趋近于无穷大,也就是质增效应,因此物体不可能达到光速。

其实从这个公式中,我们也可以发现,当物体的速度v为光速的时候,代入公式,分母为0,在数学中,这种情况下代表的是无穷大,也就是说这个时候,物体的质量是无穷大。

而当物体的速度超过了光速,根号里面的值就变成了复数,分母中的结果会产生虚数,而实际中,虚数的存在是没有实际意义的,因此不允许物体超过光速。

那为什么光可以达到光速呢?

光具有波粒二象性,从波的角度来看,光子具有两种可能的偏振态和三个正交的波矢分量,决定了它的波长和传播方向;

而从粒子的角度来看,光子静止质量为零,电荷为零,半衰期无限长。在相对论中,光子由于无法静止,所以它没有静止质量,只具有相对论质量(动质量),因此光子能够以光速运行主要是因为其静止质量为零。

但宇宙中也存在着一些超光速现象,并且也没有违背相对论,因为在相对论所中描述的”光速不能被超越”有个前提条件,那就是有质量的物质不能达到光速。

一、量子纠缠

指的是“A”和“B”两个粒子互为纠缠状态,如果将这两个粒子放置在相距几百亿光年的宇宙两端,只要A做了一个动作,B则会和A同步做相同的动作,反之亦然,这种信息传递被科学界认为是超光速的。

二、宇宙膨胀速度

根据当前的主流理论,宇宙来源于138亿年前的一场大爆炸,但我们目前可观测的宇宙半径为460亿光年,也就是说在过去的138亿年中,宇宙至少膨胀了460亿光年,这样计算的话,宇宙膨胀的速度至少为光速的3倍多。考虑到宇宙的实际大小还要远大于930亿光年,所以宇宙膨胀的速度还要快的多。

三、虫洞理论

虫洞(爱因斯坦—罗森桥)在上世纪30年代由爱因斯坦提出存在于宇宙之间一种连接两个不同宇宙时空的便捷通道,科学家也都对此抱有很浓厚的兴趣,因为虫洞可以作为“超光速”星际旅行的一种方式,而且虫洞理论也并没有违背相对论,因为它是通过改变空间结构来实现超光速的。

目前人类所创造的速度极限是由粒子对撞机中实现的,粒子加速器的原理是利用电场加速粒子,使用磁场将带电粒子控制在加速环中加速,即磁场、加速环越大,粒子获得的能量也越高。

在实验室内,大型强子对撞机中质子获得的能量是6.5 TeV,速度已经达到了0.9999999896c,299,792,455 m / s,而一个电子要比质子轻1836倍。

人类有史以来最快的加速粒子是在LEP电子对撞机中实现的,其获得的能量为104.5GeV,速度达到了0.999999999988c,299,792,457.9964m/s,仅仅比真空中的光慢3.6毫米/秒。

总结

在爱因斯坦的狭义相对论中所提到的光速不可超越,指的是任何有质量的物体都不可能在真空中达到光速,即光速是物质运动速度的极限,而非物质世界的速度并不受光速影响。如今,人类在宇宙中所发现的超光速现象其实都是与空间有关,并不违背相对论。

时间膨胀效应,就是时间会变慢,也就是时间的流逝速度会变慢,而我们的时钟记录的,其实并不是时间的流逝速度,而是在时间流逝速度下——累积经历了多少时间。于是,时间变慢,最终就会让积累的时间变少——也就是时钟的记录信息减少,即钟慢效应。而在狭义与广义相对论中,已经明确给出了,可以产生时间膨胀效应的原因和路径,并且都经过了实验的证实。接下来,我们就会从这两个不同的理论视角,去分别解读——时间膨胀的现象和背后的原理。狭义相对论中的时间膨胀

狭义相对论指出,在惯性系中(匀速运动),速度越快时间越慢。通俗的来说,就是如果我们测量一只,匀速运动的时钟——向着我们远离或靠近都可以,就会发现运动时钟的时间变慢了,而如果我们以同样的速度和运动的时钟一起运动——产生相对静止,那么此时运动时钟的时间就不会变慢。

这里有两点需要注意:

第一,就是运动速度需要抵达光速的十之一(10%),时间膨胀效应才会比较明显,即时钟计时变慢的比较明显。(目前人类火箭的速度是光速的0.0054%)

第二,就是运动的时钟并不是“普通时钟”,而是“放射性衰变时钟”,因为放射性物质包含着一个完全确定的时间标尺——就是它的半衰期。钟慢效应可以产生时间膨胀效应的原因和路径

在爱因斯坦之前,洛伦茨和弗里茨格拉德就求出了用来描述(长度)收缩的数学公式。但爱因斯坦意识到了它的重大意义并将其植入完整的相对论中。这个原理是: 参照系中运动物体的长度比其静止时的长度要短下面用图形说明以便于理解:上部图形是尺子在参照系中处于静止状态。一个静止物体在其参照系中的长度被称作他的“正确长度”。一个码尺的正确长度是一码。下部图中尺子在运动。用更长、更准确的话来讲:我们相对于某参照系,发现它(尺子)在运动。长度收缩原理指出在此参照系中运动的尺子要短一些。这种收缩并非幻觉。当尺子从我们身边经过时,任何精确的试验都表明其长度比静止时要短。尺子并非看上去短了,它的确短了!然而,它只在其运动方向上收缩。下部图中尺子是水平运动的,因此它的水平方向变短。你可能已经注意到,两图中垂直方向的长度是一样的。时间膨胀:所谓的时间膨胀效应与长度收缩很相似,它是这样进行的:某一参照系中的两个事件,它们发生在不同地点时的时间间隔总比同样两个事件发生在相同地点的时间间隔长。这更加难懂,我们仍然用图例加以说明:图中两个闹钟都可以用于测量第一个闹钟从A点运动到B点所花费的时间。然而两个闹钟给出的结果并不相同。我们可以这样思考:我们所提到的两个事件分别是“闹钟离开A点”和“闹钟到达B点”。在我们的参照系中,这两个事件在不同的地点发生(A和B)。然而,让我们以上半图中闹钟自身的参照系观察这件事情。从这个角度看,上半图中的闹钟是静止的(所有的物体相对于其自身都是静止的),而刻有A和B点的线条从右向左移动。因此“离开A点”和“到达B点”着两件事情都发生在同一地点!(上半图中闹钟所测量的时间称为“正确时间”)按照前面提到的观点,下半图中闹钟所记录的时间将比上半图中闹钟从A到B所记录的时间更长。此原理的一个较为简单但不太精确的陈述是:运动的钟比静止的钟走得更慢。最著名的关于时间膨胀的假说通常被成为双生子佯谬。假设有一对双胞胎哈瑞和玛丽,玛丽登上一艘快速飞离地球的飞船(为了使效果明显,飞船必须以接近光速运动),并且很快就返回来。我们可以将两个人的身体视为一架用年龄计算时间流逝的钟。因为玛丽运动得很快,因此她的“钟”比哈瑞的“钟”走得慢。结果是,当玛丽返回地球的时候,她将比哈瑞更年轻。年轻多少要看她以多快的速度走了多远。时间膨胀并非是个疯狂的想法,它已经为实验所证实。最好的例子涉及到一种称为介子的亚原子粒子。一个介子衰变需要多少时间已经被非常精确地测量过。无论怎样,已经观测到一个以接近光速运动的介子比一个静止或缓慢运动的介子的寿命要长。这就是相对论效应。从运动的介子自身来看,它并没有存在更长的时间。这是因为从它自身的角度看它是静止的;只有从相对于实验室的角度看该介子,我们才会发现其寿命被“延长”或“缩短”了。应该加上一句:已经有很多很多的实验证实了相对论的这个推论。(相对论的)其他推论我们以后才能加以证实。我的观点是,尽管我们把相对论称作一种“理论”,但不要误认为相对论有待于证实,它(实际上)是非常完备的。


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