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為什么不能超過光速

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為什么不能超過光速

  光速是目前已知的最大速度,物體達到光速時動能無窮大,所以按目前人類的認知來說達到光速不可能,為什么不能超過光速呢?接下來就跟著學(xué)習(xí)啦小編一起去看看吧。

  光速

  光速,即光波傳播的速度。真空中的光速是一個重要的物理常數(shù),符號為c(來自拉丁語中的 celeritas,意為迅捷),c不僅僅是可見光的傳播速度,也是所有電磁波在真空中的傳播速度。光速是目前已知的最大速度,物體達到光速時動能無窮大,所以按目前人類的認知來說達到光速不可能,只有靜止質(zhì)量為零的光子,才始終以光速運動著。光速與任何速度疊加,得到的仍然是光速。速度的合成不遵從經(jīng)典力學(xué)的法則,而遵從相對論的速度合成法則,所以光速、超光速的問題不在物理學(xué)討論范圍之內(nèi)。

  為什么光速不可超越

  2011年9月,物理學(xué)家安東尼奧•伊雷迪塔托(Antonio Ereditato)震驚了世界。他宣布的消息將徹底改變我們對宇宙的理解方式。如果參與OPERA項目的160名科學(xué)家收集的數(shù)據(jù)正確的話,說明我們已經(jīng)成功觀測到了不可能發(fā)生的事情。

  這件事就是:粒子(這里指的是中子)的運動速度超過了光速。

  根據(jù)愛因斯坦的相對論,這應(yīng)該是不可能發(fā)生的。假如這件事成真,它的影響也十分巨大,許多物理學(xué)知識都必須予以重新考慮。

  雖然伊雷迪塔托和他的團隊稱,他們對自己的研究結(jié)果抱有“高度自信”,但他們從未說過自己的結(jié)果是完全精確的。事實上,他們還邀請了其他科學(xué)家來幫助他們弄清究竟發(fā)生了什么事情。

  最后他們發(fā)現(xiàn),OPERA項目的結(jié)果是錯誤的。由于一處電纜接觸不良,從GPS衛(wèi)星傳來的信號出現(xiàn)了延遲。結(jié)果中子的運動時間縮短了73秒,看上去就好像比光速還快一樣。

  雖然科學(xué)家們在實驗之前進行了好幾個月的細致檢查,在實驗之后也進行了反復(fù)核查,但這一次,科學(xué)家們還是犯了錯誤。雖然很多人指出,在粒子加速器這么復(fù)雜的機器中,這樣的錯誤總會發(fā)生,但伊雷迪塔托還是引咎辭職了。

  為什么人們都將“某種東西比光速還快”這件事看得這么嚴重呢?我們真就那么確定沒有東西能超過光速嗎?

  讓我們先來看看第二個問題。真空中的光速是每秒299792.458公里,約等于每秒30萬公里,速度非常之快。太陽距地球約1.5億公里,光只需要8分20秒就能跑過這段距離。

  我們造出來的東西能與光速相提并論嗎?新視野號空間探測器是人類造出的速度最快的東西之一,相對地球的運行速度只有每秒鐘16公里,比每秒鐘30萬公里差了一大截。

  但粒子的速度可以比這快得多。上世紀60年代初,麻省理工學(xué)院的威廉•貝托齊(William Bertozzi)開展了一項實驗,不斷給電子加速,使電子的速度越來越快。由于電子帶負電荷,只要使一塊材料帶上同樣的負電荷,就能把電子向前推出去。施加的能量越高,電子的速度也就越快。

  你可能會以為,要想達到每秒鐘30萬公里的速度,只要增加所施加的能量就可以了。但我們發(fā)現(xiàn),電子是不可能達到那么高的運行速度的。貝托齊的實驗顯示,增加能量之后,電子的運行速度并不會簡單地成比例增加。到了后來,就算施加了大量能量,電子的速度也只能加快一點點。這一速度會不斷接近光速,但永遠無法真正追上光速。

  想象一下,你正在朝一扇門走過去,每次走的長度都是你現(xiàn)在和門之間距離的一半。嚴格來說,你永遠也走不到門跟前,因為每走一步之后,你和門之間仍然存在一定距離。貝托齊的電子加速實驗遇到的也是類似的問題。

  但光也是由一種叫做光子的粒子構(gòu)成的。為什么這些粒子就能達到光速,電子之類的粒子就不行呢?

  “物體的運動速度越快,它就會變得越重;而物體變得越重,要想加速也就越難,因此你永遠不可能達到光速。”墨爾本大學(xué)的一名物理學(xué)家羅杰?拉索爾(Roger Rassool)說道,“光子實際上是沒有質(zhì)量的。如果它有質(zhì)量,也就不可能以光速運行了。”

  光子是一種非常特殊的粒子。不僅因為它們沒有質(zhì)量,讓它們在宇宙這樣的真空中可以無拘無束地自由穿梭,還因為它們根本不需要加速。光的能量借助波的形式傳播,這意味著從光子誕生的那一刻起,它就已經(jīng)達到了最高速度。

  不過,光有時似乎傳播得比我們認為的要慢一些。雖然互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人員喜歡說信息“以光速”在光纖中傳播,但光在光纖的玻璃中傳播的速度其實比在真空中慢40%。

  事實上,這些光子的運行速度仍然是每秒鐘30萬公里,但在光波穿過玻璃時,會從玻璃原子中釋放出其它的光子,對之前的光子造成一定干擾。這一點可能很難理解,但值得我們?nèi)プ⒁庖幌?。?/p>

  與之類似,科學(xué)家在實驗中通過改變光子的形狀,成功減慢了單個光子的速度。

  不過,在絕大多數(shù)情況下,我們還是可以說光速就是每秒30萬公里。我們還未觀察到過、或者造出過能與光速媲美、甚至超過光速的東西。下文中提到了一些特殊的案例,但在此之前,讓我們先來解決另一個問題:為什么光速這么重要呢?

  答案與一位叫做阿爾伯特?愛因斯坦的男人有關(guān)。他的狹義相對論對這一速度上限引發(fā)的許多后果進行了探討。

  該理論最重要的觀點之一是,光速是一個常量。無論你身在何處,無論你速度多快,光傳播的速度始終保持不變。

  但這也帶來了一些概念上的問題。

  想象一下這樣的場景:手電筒的光柱投射到一艘靜止的宇宙飛船的天花板上。光線先是朝上,被鏡子反射回來,然后投射到地板上。假設(shè)光線經(jīng)過的距離為10米。

  然后再想象一下,宇宙飛船開始以超高速運行,速度為每秒數(shù)千、甚至數(shù)萬公里。你打開手電筒之后,光線的運動方式看上去和之前一樣:先是往上走,然后被鏡子反射回來,投射到地板上。但由于鏡子此時正和宇宙飛船一起高速運行,要實現(xiàn)這樣的效果,光線的運動軌跡必須傾斜于地面,而不是垂直于地面。

  因此光線經(jīng)過的距離比之前增加了。假設(shè)這段距離增加了5米,光線經(jīng)過的總距離就變成了15米,而不是之前的10米。

  不過,雖然這段距離增加了,根據(jù)愛因斯坦的理論,光速仍然是不變的。速度等于距離除以時間,既然速度不變,距離增加,時間應(yīng)該也增加了才對。

  不錯,時間本身也被拉長了。這聽上去很異想天開,但實驗已經(jīng)證實了這一點。

  這種現(xiàn)象名叫時間膨脹效應(yīng)。這意味著對于在高速運行的汽車中的人來說,時間過得比靜止時要慢一些。

  例如,國際空間站相對地球的運動速度是每秒7.66公里,對于宇航員來說,時間比地球上慢了0.007秒。

  而套用到粒子身上,事情就更有趣了。比如上文提到的電子,它們可以以接近光速的速度運行。對于這些粒子來說,時間膨脹效應(yīng)就更明顯了。

  牛津大學(xué)的一名實驗物理學(xué)家史蒂文?科爾斯海默(Steven Kolthammer)用渺子舉例說明了這一點。渺子十分不穩(wěn)定,很快就會分裂成其它更簡單的粒子。按照它們的衰變速度,大部分渺子在離開太陽之后,等到抵達地球時,就應(yīng)該已經(jīng)衰變了才對。但事實上,仍有大批渺子能成功抵達地球。長時間以來,科學(xué)家一直對這一點感到大惑不解。

  “原因是渺子在誕生時的能量極其巨大,因此渺子能夠以接近光速的速度運行,”科爾斯海默說道,“所以對于它們而言,時間其實放慢了不少。”

  渺子之所以能“存活”得比我們以為的更久,靠的就是實際存在的、天然的時間彎曲效應(yīng)。

  當(dāng)物體相對于其它物體的運動速度更快時,它們的長度也會收縮。時間膨脹效應(yīng)和尺縮效應(yīng)都是時空根據(jù)物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變的例子。比如你,比如我,比如宇宙飛船,物體只要有質(zhì)量,就會出現(xiàn)這些現(xiàn)象。

  但愛因斯坦指出,最關(guān)鍵的是,光不會受到這些效應(yīng)的影響,因為光沒有質(zhì)量。正是因為這一點,這些定律之間的統(tǒng)一才那么重要。如果有什么東西的運動速度超過了光速,它們就會與宇宙運作的基本法則相違背。

  但也有一些例外的現(xiàn)象。

  首先,雖然我們還沒觀察到有什么東西能超過光速,但這并不意味著,在非常特殊的情況下,理論上是無法打破光速的限制的。

  宇宙膨脹就是一個例子。宇宙中有一些星系,它們從彼此身邊逃離的速度就超過了光速。

  另一個有趣的例子則與粒子有關(guān)。這些粒子無論相隔多遠,似乎都能同時表達出相同的特性。這一現(xiàn)象叫做“量子糾纏”。從本質(zhì)上來說,光子可以在兩種狀態(tài)間隨機轉(zhuǎn)換,但如果兩個光子之間存在量子糾纏的話,其中一個光子的狀態(tài)將恰好與另一處的光子完全相同。

  因此,如果兩名科學(xué)家各負責(zé)觀察一個光子,他們就能同時得到相同的結(jié)果,而這一速度是超過了光速的。

  不過,在上述兩個例子中,我們必須注意到,信息在兩個實體之間傳播的速度是無法超過光速的。我們可以計算宇宙的膨脹速度,但我們無法在其中觀察到任何超過光速運行的物體,就好像它們從我們的視線中消失了一樣。

  至于那兩名研究光子的科學(xué)家,雖然他們能同時得到相同的結(jié)果,但他們向?qū)Ψ酱_認這一事實的速度也不可能超過光速。

  “這讓我們避免了各種棘手的問題,因為如果你發(fā)射信號的速度超過光速的話,就可能引發(fā)一些詭異的悖論,讓信息在時間上出現(xiàn)了倒退。”科爾斯海默說道。

  不過,從技術(shù)層面來講,還有另一種方法能實現(xiàn)超光速運動:利用時空中本身存在的縫隙,從而避免受到普通運動法則的牽制。

  德州貝勒大學(xué)的杰拉德?克利佛(Gerald Cleaver)對制造超光速宇宙飛船的可行性進行了研究。一種方法是穿越蟲洞。時空中存在一些環(huán)狀回路,這與愛因斯坦的理論是完全一致的。宇航員可以利用這些捷徑,從宇宙中的某一處地方直接跳到另一處去。

  物體在蟲洞中運行的速度不會超過光速,但從理論上來說,它到達目的地的時間的確比光走正常路線所需的時間要短。

  但我們也許無法利用蟲洞進行空間旅行。那么,我們能否以某種可控的方式主動使時空發(fā)生彎曲,從而使相對的運動速度超過光速呢?

  克利佛對一種名為“曲速引擎”(Alcubierre drive,又名阿庫別瑞引擎)的概念進行了研究,這一概念是理論物理學(xué)家米格爾?阿庫別瑞于1994年提出的。從根本上來說,它描述的是這樣一種情境:宇宙飛船前方的時空會收縮,將宇宙飛船向前拉去,而與此同時,飛船后方的時空則會膨脹,產(chǎn)生推動效應(yīng)。

  “但問題是,我們怎樣才能實現(xiàn)這一點呢?實現(xiàn)它又需要多大的能量呢?”克利佛說道。

  2008年,克利佛和他手下的研究生理查德•奧伯塞(Richard Obousy)對所需的能量進行了計算。

  “我們發(fā)現(xiàn),假設(shè)飛船大小為10米*10米*10米、即總體積為1000立方米的話,光是啟動這一過程所需的能量數(shù)量級就與木星的質(zhì)量相當(dāng)。”

  而在啟動之后,我們還需要不斷供應(yīng)能量,保證這一過程不會中斷。沒人知道我們要怎樣才能做到這一點,也沒人知道這需要什么樣的技術(shù)。

  “我可不想預(yù)言說這永遠不可能成真,結(jié)果被后人詬病數(shù)百年,”克利佛說道,“但就目前而言,我真不知道怎樣才能做到這一點。”

  因此就現(xiàn)在來說,超光速旅行依然如神話般遙不可及。

  不過先別失望。在本文中,我們考慮的主要是可見光。但事實上,真正的光比這要寬泛得多。從無線電波到微波,再到可見光、紫外線、X射線和原子衰變時釋放的伽馬射線,這些神奇的射線都是由同一種物質(zhì)組成的——光子。

  它們之間的區(qū)別在于能量和波長的不同。這些射線加起來,就構(gòu)成了完整的電磁光譜。無線電波能以光速傳播,這對于通訊的用處非常巨大。

  科爾斯海默在他的研究中搭建了一個電路系統(tǒng),用光子從電路的一部分向另一部分發(fā)射信號。因此他在光速的用途上很有發(fā)言權(quán)。

  “現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)和以前的無線電都是這樣的例子,光速為我們提供了巨大的便利。”他指出。

  科爾斯海默還補充說,光在宇宙中還起到了溝通的作用。當(dāng)一部手機中的電子振動時,便會釋放出光子,讓另一部手機中的電子也開始振動。你打電話的時候,就會經(jīng)歷這樣的過程。

  太陽中的電子振動時也會釋放出光子,正是它們產(chǎn)生的光線孕育了地球萬物。

  光就像宇宙中的廣播節(jié)目。光速為每秒鐘299792.458公里,這一速度始終保持不變。并且,時空還具有延展性,無論人們身在何方,無論他們正處于怎樣的運動狀態(tài),每個人都遵循著相同的物理法則。

  不過,誰會愿意運動得比光速還快呢?那場景一定太美,讓人不容錯過。


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