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光速为何是宇宙速度极限?到底是什么限制了光速?

 宇宙时空探索 2022-03-24

提到光速,我们就能想到它是宇宙的速度极限,任何物体都无法超光速飞行。但你有没有想过光速为什么是宇宙速度极限?到底是什么限制了光速呢?

先说点题外话,虽然科学家知道光速是速度极限,但他们仍旧想尽各种办法试图打破光速这个速度极限。虽然知道不可能做到,到总想试一试。

比如说科学家通过大型粒子对撞机让微观粒子加速,可以让质子的速度非常接近光速,达到了299,792,455米每秒,这个速度是光速的0.9999999896倍。

而比质子更轻的电子速度可以更快,达到299,792,457.9964米每秒,仅仅比光速慢了3.6毫米每秒。

不要以为3.6毫米是个很小的数字:再给电子加大能量不就能超越光速了吗?那是不可能的,3.6毫米对于科学家来说就是难以逾越的鸿沟。速度达到一定程度,当无限接近光速之后,再想加速就变得非常困难!

回到正题:为何不能超越光速呢?从以下几方面来分析。

宇宙中存在着“GZK极限值”(GZK是以三位科学家名字首字母命名的),何为“GZK极限值”?

自然界的任何粒子携带的能量最多达到5×10^19eV,这个就是能量阈值,一旦超过这个阈值,大自然就开始干预了。

宇宙中充满了微波背景辐射留下的光子,这些光子会与粒子发生作用,产生中性π介子,而π介子会消耗能量,直到粒子携带的能量降低到极限值以下。

所以,任何粒子的速度都无法超越光速。

宇宙中的微波背景辐射会不会消失呢?不会。即使宇宙一直在加速膨胀,光子的波长也会被拉长,但永远不会消失。

第二种解释比较常见,那就是用相对论的思想诠释“光速限制”。

爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,速度越快,物体的质量就越大,这就是质增效应。到一个物体的速度无限接近光速,想要再加速,就需要无穷多的能量,甚至整个宇宙的能量都做不到。

显然这是不可能的,我们无法获取无穷多的能量让物体继续加速。

第三种,可以用时空的概念来解释。

光速,更严谨的定义不应该是“光的速度”,它是四维时空的固有属性,内在秉性。其实宇宙中的万事万物时刻都在以“光速”飞行!

如何理解上面加粗的那句话?

注意,上面带引号的“光速”与平时我们所说的光速并不一样。对于宇宙万物来讲,都有两个方向的速度:时间方向和空间方向。

根据时间膨胀原理,速度越快时间就越慢。也就是说,空间方向的速度与时间方向的速度成反比。想要时间流逝的慢,速度(空间方向)就必须足够快才行。

同样的,想要时间流逝的速度快,速度(空间方向)必须足够慢。

如何让时间以光速飞行?很好办,你只需要静止不动就行了,因为静止的你在空间方向的速度为零,那么时间就必须以光速飞行(也就是说,即便你一动不动,其实你也是以光速在四维时空中飞行,注意这里是“四维时空”,而不是“三维空间”)。

时间和空间可以叠加,就像速度叠加那样,但叠加的结果必须是光速!这也是为什么刚才会说“宇宙万物(包括你我)时刻都在以光速飞行”!

说了这么多,其实大自然并没有关闭“超光速”的大门,所谓的“光速限制”只是限制了信息和能量的传递速度,只是速度本身没有传递任何能量信息,就完全可以自由自在地超越光速。

比如说虫洞,曲速引起,量子纠缠,时空膨胀,速度都超越了光速,但它们都没有传递任何信息,不受“光速限制”的约束!

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