导读:答案:有很多人以为无论在任何环境中光速都是最快的速度,但其实这是错误的,爱因斯坦所说的光速是宇宙中最快的速度是有限定条件的,就是真空环境。在真空条件下任何物体都不可能超光速运动,但在非真空环境中例如水的折射率是133,那么光在水中的传播速度
答案:有
很多人以为无论在任何环境中光速都是最快的速度,但其实这是错误的,爱因斯坦所说的光速是宇宙中最快的速度是有限定条件的,就是真空环境。在真空条件下任何物体都不可能超光速运动,但在非真空环境中例如水的折射率是133,那么光在水中的传播速度就是真空中速度的四分之三,光速在水中变成了075c(c是光速)。
如果这时候通过磁场或者粒子加速器来加速电子,可以让电子的速度大于075c,完美地实现了电子在介质中比光速还要快,当这种现象发生的时候会产生一种蓝色的光,我们称这种现象为契伦科夫辐射,它的发现者和另外两名解释者因此诺贝尔物理学奖。
那么到底什么是契伦科夫辐射呢?这里需要用几个比喻来理解,例如你在马路旁边听到远处火车的鸣笛声,当火车逐渐靠近你,这个鸣笛声会变得越来越响亮,这被称为多普勒效应,原理就是:波源与观测者之间的位移变化,会导致波源的发射频率与观测者的接收频率有差异,两者距离越近,观测者接收的频率越大,相当于声音被压缩了。但如果当波源移动的速度比声音传播的速度要大的时候又会出现另一种现象,音爆。
当超音速飞机飞行的速度接近音速的时候会产生音障现象,使飞机强烈震动而减速,当飞机继续加速突破这一障碍后,飞机飞行的速度要大于飞机对空气挤压传播的速度,因此空气挤压在机身后部产生了一个圆锥状的激波面,这个激波面集中了大量的声能,也就是音爆。
而契伦科夫辐射现象道理也是一样的,先在盛满水的容器中接入光源,让光子在水中运动,再利用粒子加速度将电子加速到超过075c,这时候被加速的电子身后的光子会叠加积累在一起形成弓形震波,然后以紫外辐射的形式释放能量,也就是我们上图中看到的蓝色光辉,因此在介质中超过光速的这种现象也叫光爆。
最后还是要强调一下!这是在介质中存在超光速的物质,真空的环境中是不可能有物体比光速快的,爱因斯坦的理论依然正确!
有质量的物体无法接近光速,一百多年前,爱因斯坦信誓旦旦地说出了这句话。科学界也针对光速极限理论进行了多次讨论,在保证相对论的正确时,光速极限理论确实是没错的,除非相对论错了。如今人们制造出了粒子加速器,运用特殊的 *** 可以将微观粒子加速到接近光速的程度,想完全达到光速还不行。
难道在宇宙里就没有速度超过光速的物体吗?在实验中我们确实没办法让基本粒子加速到光速,想找到真正意义上的超光速物体,我们还得把目光对准宇宙。1997年,科学家终于在宇宙中找到了超光速现象,它就是类星体的辐射源分离,打破了认知。
先来给大家简单介绍一下什么是类星体,这类天体距离地球都有几十亿光年,有的类星体甚至在100亿光年之外。这种神秘天体类似于恒星,光谱像星云却又不是星云,对外发出的射电辐射强度又和星系相似,实在是不伦不类!它们所发出的能量比恒星大多了,有的大型类星体,发出来的能量是一个星系的能量总和。
根据公布出来的显示,类星体看上去就是个发光体,其内部构造压根看不出来,有的科学家都怀疑它不是球形。在距离地球约25亿光年的地方,有一颗体型中等的类星体,是1963年的时候被发现的。因为它在类星体中距离地球较近,科学家便将它当成了重点观察对象。1997年的时候,科学家在它的内部发现了两个巨型辐射源,可怕的辐射能量源源不断地从中发出。
随后科学家又发现了这两个辐射源正在分离,他们建立了数学模型,得出了一个让他们瞪大眼睛的结论,辐射源的分离速度高达每秒288万公里!早知道光速才每秒30万公里,类星体辐射源的分离速度几乎是光速的9倍!
光速极限理论失效了吗?当科学家观测当这一现象时,就开始想办法解释它了。既然可以对外释放出辐射,那辐射源也是有质量的物体,我们该如何理解它的超光速现象?科学家给出了一种可能的猜想。
在一些晚会上经常会用到聚光灯,一台大型聚光灯,它发出来的光线是可以穿透云层的。如果云层的厚度比较大,那就有可能会形成特殊的光斑。云层也是由一个个分子组成的,分子在不停地运动。只要在地面上移动聚光灯,云层上的光斑也会移动。云层越高,光斑的移动速度越快。
类星体在对外释放出辐射的时候,会有高能粒子流释放,当它们投射到类星体外围的介质上,一样会形成“光斑”。科学家认为,如果类星体同时在多个方向释放出高能粒子流,那么这些高能粒子流对辐射源的相对移动速度就有可能超越光速,这个数值并不确定。理论上来说,就算是光速的100倍也是可以的。
而且这是现代物理学所允许的,并没有违背相对论。不过这种现象没有什么价值,它不能传递信息,也就没有了意义。现代物理学认为光是可以传递信息的,光的本质具有波粒二象性,它既是波也是粒子,两者都可以传递某种信息,频率和周期决定了它会携带不同的信息。
由图<5>A知,射电条文图;每一闭合条文为一变形椭园,它的长轴为R1+R3(R1>R3),短轴为
R2+R4(R2=R4),超光速天体运动方向,在长轴长半径所指方向上。在紫、红移区,射电源有可视天
体可对应,在盲区(有尘埃的区域,超光速天体才有射电源),无可视天体可对应,如果该天体距离地
球较近,还许还有天体在尘埃中留有余辉,被我们观察到。
3C120射电源,作者的资料^⑨;距离为16亿光年,观测2年(1972年),它的直径增大了0001″
(如果是短轴的直径),那么半径(R)增大了00005″,也就是R+2光年=R2(C。t。=2光年),可有
<3-1>式计算:距离L=C。t。/(tgθ2 - tgθ1)=2光年/tg0°0′00005″=825亿光年。
由<3-1>式知道;观测半年,短轴半径增大0001″,C。t。=05光年,该射电源的距离(L)为
103亿光年。
观测一年:短轴半径增大0001″ L=206亿光年(增大00001″L=206亿光年)
观测二年:短轴半径增大0001″ L=412亿光年(增大00001″L=41,2亿光年)
观测三年:短轴半径增大0001″ L=618亿光年(增大00001″L=618亿光年)
观测四年:短轴半径增大0001″ L=825亿光年(增大00001″L=825亿光年)
观测五年:短轴半径增大0001″ L=103亿光年(增大00001″L=103 亿光年)
观测十年:短轴半径增大0001″ L=206亿光年(增大00001″L=206亿光年?!)
由以上数据可知;观测时间越长,短轴半径增大值越小,所观测的射电源距离的距离;也就越远!
在第三节己探讨过,三角形△OMM2是直角三角形,故,R2=tgθ2L,△OMP是斜角三角形,如果,
该射电源无可视天体对应,该是超光速天体,在盲区,见图<7>。如;测的该射电源条文图短轴半径θ1为10″,过半年又测得θ2为1001″,同时测得长轴半径Δ为1501″,可由图<7>①式计算,
得距离L=1031324031光年(103亿光年),由②式求得短轴半径R2=5005光年,L2=1031324031光年,由③式求得长轴长半径R1=81298光年,由④式求得超光速天体速率视分量角α=22°60995169 = 22°36′3583″,该射电源有可视天体对应,那么该射电源在红移区,视速率分量角为α1=π-α′
,如无可视天体对应,那必在盲区,而且是倒自行,也就是长轴的长半径指向天体运动(PP′与X轴在同一平面内)的反方向,该射电源;是超光速天体的遗影,那必还有本影;本影在M″处,可由⑤式求得
ρ值,由以数据(设超光速天体为5倍光速 U。=kC。=5C。)得ρ=7205760215光年(072亿光年) S2=(L-ρ)k, S2=1553740048光年(155亿光年)。
为什么能同时测的本影与遗影,举例:两艘飞船同时从M点出发;一艘以光速飞向O点,另一艘以5倍光速沿X轴方向飞行,经过155亿光年,到达M″处,改向,以光速飞向O点,经过072亿光年,到达O点的瞬间;另一艘飞船从M点经过103亿光年,也正到达O点(读者可以计算,验正)。
探讨到此;给我们提出有意思的问题,测到本影,还可以测找到遗影。测到遗影,同样可以测找到本影。
但,测下遗影射电条文图,可以测知(L)距离,也可以测知视速率分量角(α),但在盲区,无可视天体对应时,也就无视红移Z值,就无法求知超光速天体的真速率,也就无法求得X轴的M″点(本影点)。
如果测得是本影,同样用图<7>中;①、②、③、④、⑤式求得;距离L、视速率分量角α、由观测所得视红移值Z,可由Z=-CosαkC。/C。式(见图<6>)求得光速倍数k值,由此测求知图<7>中,红移区M″处,所对应的盲区的射电遗影条文图的位子M点。如果M处天区没有尘埃呢?上面已探讨过,超光速天体经过无介质(尘埃)的天区,就无射电辐射(介质二次辐射)发生。
正如观察中,一千来个类星体,有射电源的只三百来个,这三百来个必有尘埃附着,那七百来个,必无尘埃!这么多的类星体与群多的射电源,必然存在本影与遗影同属于一个超光速天体。
同时观测到本影与遗影,在有宇宙尘埃的临界点,由超光速天体的契伦科夫辐射频谱能知道;尘埃受激二次辐射,会出现X、γ射线,甚至宇宙高能射线,当然还出现射电辐射。正因为临界点处有尘埃,本影(可视天体)在自行,而遗影(射电源)在倒自行,由表<1>知道;本影与遗影在初起的三年,在快速分离,见表<2>: 表<2> 在临界点处,初三年;本影与遗影自行、倒自行、两影分离数椐 ρ。 1000万光年 1亿光年 10亿光年 100亿光年 自行 2′289″ 0′4701″ 0′144″ 0′384″ 倒自行 2′287″ 0′4726″ 0′152″ 0′469″ 三年分离 4′574″ 1′347″ 0′296″ 0′853″ 由表<2>知道;不管在那档距离上,三年两影分离速度,都是惊人的!
按常理;天体的年自行值,在天体的横向(α=π/2)时,张角更大,其自行值也更大,由表<1>
知,不然,超光速天体的年自行更大值,却在临界点处,初三至五年自行值(与倒自行值)为更大,与常理相悖。
在其有尘埃的临界点处,会出现γ、x爆,甚至宇宙射线爆,因,我们在第三节已探讨过,由于时间效应,我们在一秒钟时间内,接收了超光速天体其1534天所激放的能量!所以,以爆的形式被我们所接收,而,尘埃天区出现的天体,其亮度会极烈徒增(光爆)!这一系列的“爆”,其原因;可称得上,“时间效应”上的“时爆”!我们接收的是;超光速天体“时间”上的超级“压缩弹”,压缩比例为:13253760:1(1534天为13253760秒),压缩倍数为13千万倍,故,以“爆”的形式出现,也就不为怪了!
如果超光速天体,所在盲区,不是临界点之处,那尘埃中,就无;可视天体,尘埃云中,只遗留超光速天体的漫、反射的余辉。第三节探讨过,超光速天体的探照灯,朝前是不起作用,而是以扇形的形式朝向后方,由时、频效应<1-5>式知道;临界角(α。)位子处,契伦科夫辐射,施放的能量为更大,也就是扇杆位子方向为更大,正后方,扇中央为最小,故,尘埃云隧道的两侧,余辉(漫、反光)为最强,正后方为最弱,正前方,无余辉,见图<8>-②^⑩。在盲区,被我们首先发现之处;是尘埃云隧道出口之处的射电文,因,在盲区,只存在遗影倒自行,故,首先被发现的,只能是隧道出口处尽头的射电文,射电 文遗影只有从出口向进口倒自行。出口处的射电文,不会,一倒自行过后,射电文痕迹就消失,而是先滞留,经过好多年之后,才渐渐消退。这样,倒自行之条文与滞留条文,会渐渐分离,而倒自行的条文图,其长轴长半径指向超光速天体运动的相反方向。
如果,半人马座A事件,一开始发生,就被我们拍摄到,其射电文;是单一的射电指文图,同时伴有γ、x射线,而今,半人马座A实摄图像,已分裂为;二个指文图(见图<8-1>)^⑾,与初时,单一的指文图,在时间上,已相隔多年了,γ射线已渐渐消退,而留有X射线(见图<8>-① )。
在2011年,欧洲核子研究中心(CERN)的OPERA实验宣布了一个震惊科学界甚至是整个吃瓜群众界的消息,他们观测到中微子的移动速度超过了光速!消息一出舆论哗然,这简直就是一个科学领域的重磅炸弹!最后也被证实是一次乌龙实验,相对论大厦的基础依然坚挺!
那么OPERA实验是如何得出超光速这个结论的?让我们来复习一下。
OPERA实验中微子超光速事件
让一束高能质子以非常接近光速的速度(由于爱因斯坦的相对论,不能达到光速)撞向其他粒子,高能量的撞击会粉碎粒子产生一系列“碎片”。这些“碎片”中有一些是由中微子以及会衰变为中微子的不稳定粒子组成,中微子质量非常轻,比单个电子要轻数百万倍,但还是有质量的。
因为中微子几乎不与其他物质发生相互作用,我们发射一个中微子它就可以随意地穿透地球。当所有其他的粒子都被地面上的粒子阻挡时,中微子却像自由落体一样继续运动,只受周围物体引力的影响。
在一年多的时间里,OPERA探测到大约16000个这样的中微子,并且测量了这些中微子的一些特性,包括到达时间。当科学家查看数据时,他们的发现绝对令人震惊!根据这些中微子的能量和它们的传播距离,科学家能够精确地计算出这些中微子从欧洲核子研究中心产生的地方到到达OPERA探测器所需要的时间。其结果应该是与真空中光速基本上没有区别!也就是说理论上中微子的速度和光速很接近,可以说没有区别!
但是科学家发现中微子比光速早到了大约60纳秒,也就是快60纳秒。这个实验结果在理论上不论是高能中微子还是低能中微子都不可能发生!当时很多人就坐不住了,出来反驳!
但是实验方声称他们的实验做的很好,完全没有问题!这种革命性的实验结果肯定要受到科学界严格的审查和调查。主要考虑实验方是否在用错误的结果进行科学欺诈,这个在 历史 上也发生过;实验中是否存在未知的错误!或者这真的预示着物理学中一场潜在的革命即将到来。于是其他地方的科学家就开始着手准备进行实验。
费米实验室和日本神冈准备着手进行独立的实验
在日本的计划是,科学家以与OPERA实验相似的高能量制造中微子,并将中微子从东海发送到神冈,距离为295公里,称为 T2K中微子实验 。
同样,在美国的计划是将一束中微子从费米实验室发射到明尼苏达州的苏丹矿井。从费米实验室到苏丹矿的距离呢?一个不可思议的距离:732公里。和OPERA实验的距离完全一样!称为 MINOS中微子实验 。
大反转
这两个结果可能是最无聊的结果,但也是人们最期待的选择。中微子的移动速度没有超过光速,而且OPERA实验之所以能取得超光速的成果,是因为他们的实验中发生了独特的错误。(最后被证明为线路故障)
OPERA实验将会面临同行的嘲讽,项目负责人塞尔吉奥·贝尔托鲁奇真的很尴尬,引起这么大的轰动结果是个乌龙!
就在费米实验室和日本神冈还没来得及完成实验呢,在2012年3月16日OPERA团队经过自查宣布中微子在实验中超光速,源于两处系统错误导致:
这就是中微子超光速的始末!那么中微子能超光速吗?
在相对论中有质量粒子在真空中只能无限接近光速,而中微子的速度也是和光速无法区分,这里说的都是在真空中。
如果在介质中很多现象都可以超光速,例如电子在水中就可以被加速到超光速,并且发出切伦科夫辐射的蓝色辉光!
还有在恒星中或者超新星爆发时,中微子也可以超光速,因为光在恒星核心产生,向外传播时会有其他带电粒子相互作用,运动异常缓慢,一个典型的光子要从恒星核心到达表面需要经过数万年的时间。而中微子可以轻松的穿过任何稠密的物质!
因此我们要正确的理解超光速这种现象,目前我们已知的超光速现象都是在耍赖!
有种观点,说光的时间归零,按照这种观点,光应该是相对宇宙的整体来说,可能是相对静止的。光,很普通,宇宙中到处都是,但它的性质又很深奥,它把整个宇宙联系在了一起,对于光子来说,时间归零了,它有空间概念吗?不知道。不仅如此,光的很多不知道有待人类去研究、 探索 。光,可能是人类认识宇宙本质的一把钥匙。
中微子,人类所所认识到的是它超强的穿透性,这种物质就包含在它的名字当中:(1)、“中”,即中性,不受电磁力的影响,运动起来畅通无阻;(2)、“微”,即小,可能现在发现的粒子当中没有比它还小的吧,我们知道,一个原子中99点几以上的是空间,而向原子核级看,向夸子级看,和再向人类还没有认知更深级,其密度是逐渐增大的,其内部空间可能要小点,但也小不到那里去,就是说物质的路大部分是空间,而物体只有碰到物体的实体时,才会停下来,这是中微子强大的穿透力的另一个原因,比如一个中微子在穿过一个原子时,绝大部分是空间,而遇到电子与原子核的概率已经很低了,但是,电子、原子核内部的空间又占绝大部分,碰到比它小的粒子(我认为是存在的)或者说比它更坚硬的实体的可能性太小太小了。再者,由于很小,质量也就很小,与其它物体的相互作用也必将很小,这也是穿透力强的一个原因。
中微子的速度比光子小点吧。为什么小点,就不知道了,可能是物体发出光子与中微子的机制不同吧。题目的提问是速度问题,而又知道的少,所以答非所问了,只能说点知道的了。
在我们的宇宙中,任何有静止质量的物体都不能达到光速或者超光速,只有静止质量为0的光可以以光速飞行,宇宙膨胀速度超光速是因为宇宙空间本身的运动不受相对论制约,并且宇周膨胀本身也不传递信息,量子纠缠的速度虽然超过光速好几个数量级,但是量子纠缠目前只能用来加密信息而无法传递信息。
可以说自从科学家们证明光速不可被超越和光速不变后,人们一直在寻找宇宙中的超光速现象,而中微子是一种拥有微小质量的粒子,本身可以接近光速运动,但是不可能超过光速。
2011年的时候科学家在奥佩拉实验中发现中微子的运行速度比光还快,这个消息直接引起了物理学界大地震,很多物理学家都主张重复奥佩拉实验,但是重复后发现中微子的运行速度仍然是超光速,直到2012时才发现所谓的中微子超光速不过是因为光纤接头松动导致的,所以说中微子超光速其实是一个大乌龙,原来主导中微子超光速实验的主任也引咎辞职了,后来的继任者重新测量了中微子的速度,证明了中微子并没有超过光速。
现如今科学界已经不不相信有哪种粒子可以以超光速运动了,光速仿佛是我们宇宙的基本框架之一,光速可以被超越就意味着人类所有科学理论的崩塌,意味着人类几百年来的科学全都是错的。
如果光速可以被超越,那么就说明我们现在的理论全都是错的,但是我们现在的 科技 水平完全是靠之前的科学理论才发展起来的。
我们经常会看到、听到一个宇宙中的基本事实:宇宙中的极限速度是光速。这句话其实是不对的,至少描述的不完整,因此正是这句不完整的表述就造成了很多人的困扰,于是就出现了各种超光速的版本,让人怀疑这个物理学的基本假设是不是有问题。
例如在量子力学里的两个共生粒子的超远距离纠缠现象,还有宇宙的膨胀速度超光速的现象,以及高能粒子在介质中的超光速现象(切伦科夫辐射),甚至是问题中所说的人类的思维超光速的现象?
以上的例子所发生的事件确实都超过了光速,而且有些还比光速要快得多,甚至是瞬间发生作用。那么问题是这些事件是否都违背物理学原理呢?
首先我们要理解的是:物理学对极限速度的基本命题中导致限制的是什么?其实物理学对极限速度的准确描述是:在宇宙中,任何信息和能量的传递速度不能超过299792458米/秒,这个速度正好是真空中的光速。当然光子自身也是一种能量,并且也携带信息,因此它也受到了这个速度的限制。
而宇宙中任何我们能看到的物质都是由简单的质子、中子和电子组成的,这些粒子本身就是一堆信息或者能量,因此它们的速度也不能超过真空中的光速。就连我们看不见、摸不着的中微子和暗物质粒子也是一样的,它们虽说不参与电磁相互作用,但也是一种能量的形式,其运动速度也受真空中光速的限制。下面的问题是为何宇宙中的信息传播的极限速度正好是真空中的光速呢?
根据狭义相对论,任何质量/能量物体只能无线的逼近真空中的光速,但不能达到更不能超越,因为质量/能量物体的速度越高其携带的动能越高,也就是相对论质量越高,无限逼近光度的物体其相对论质量会变得无穷大,而想要继续加速这样的物体则需要无穷的能量,由于我们可观测宇宙是有限的,因此我们在理论上也无法获得无穷的能量。我能感觉到,你对这种解释有些麻木了,可能不相信。其实还有另外一种解释,我简单地说一下。
其实在宇宙中除了极限速度这个限制外,还有一个不为大家熟悉的极限能量(也叫做GZK极限),描述的就是宇宙中更能粒子所携带的能量在理论上的一个极限值,也就是说,任何粒子所携带能量只能到达GZK极限(5×10^19电子伏特),高于这个能量就会于宇宙中微波背景辐射中的光子发生相互作用,产生Π介子直到能量降低到这个值以下。而这个能量值所对应的速度正好就是和光速基本无法区分的速度。
这就是为什么大型强子对撞机中的质子永远只能无线的逼近光速,甚至达到了9999999%的光速,但就是无法到达。这样解释了为什么宇宙中一些超大质量黑洞的磁场强度超过了人类对撞机的万亿倍,但也没有创造出高光速的粒子,至少我们在地球上没有检测到这样的粒子存在。
掌握了以上的知识,剩下的问题就好解决了。量子纠缠超光速了?宇宙膨胀超光速了?思想超光速了?是的,它们超光速了,但是它们不传递任何信息,所以不违背物理学原理。即使它们超光速,也不会对其他任何事物造成影响。
量子纠缠是两个共生的粒子,它们从被创造出来以后就处于纠缠状态,假如每一个粒子都拥有两种自旋状态的叠加态,但是只要我们测量一个粒子,这个粒子变现出来自旋向上,我们就会立即知道另外一个粒子的是自旋向下,无论相隔多远,另外一个粒子都会瞬间做出反应。那么能用这种自旋的变化,传递信息吗?不能,因为你每次测量一个粒子时,它给出你的自转状态都是随机的,因此我们无法利用实先约定好的信号来传递信息。因此,量子纠缠这种超距离作用可以在宇宙中存在,但是目前来看没有任何卵用。
再说宇宙碰撞吧,它确实比光速快的多!然后呢?它能传递什么信息?并不能,而且我们也认为星系的远离是中间空间膨胀的结果,并不是星系在运动,相反以星系的视角来看,它并没有相对于周围的空间在动。因此这种超光速不传递任何信息,也不违背物理学原理。
思想呢?其实我想说的是思想这玩意真的很抽象,我们很难去定义它,它看起来更像是以台计算机的处理速度,例如:一秒钟能传输多少比特的信息!这跟光速是完全不同的物理概念,貌似也没法比!但是,我们也可以勉强把它们放到一起来看一看,思想超光速了吗?如果是,违背了物理学原理吗?
我们经常那思想说事的时候都会说:我能瞬间从原子尺度想到银河系的尺度,我的思维能瞬间从银河系边缘会到地球,这种速度是光速不能及的。确实比光速快!但是你的思想产生了什么实质的影响了没有?并没有!你不能以你的思想去影响远在千里的任何事物,也就是说,你不能用你的思想去传递信息。如果你能瞬间让某人知道你在想什么,这才违背了物理学原理,但是你办不到,你最多就是想了以后,通过打 *** 告诉某人你的想法,估计这是你的思想影响他人或者外界的事物最快的速度。
总结一下就是,超光速没啥大惊小怪的,要是能以高光速的速度就传递信息这才了不得。在宇宙之中任何事物之间的相互作用都必须在光速下进行,没有超光速的信息传递,这才是宇宙的基本法则。
宇宙急速
光速,每秒299792458m,爱因斯坦在狭义相对论中指出,光速和任何速度相加都只能得到光速,并且对于任何观察者来说真空中的光速都是相同的,不论光源怎么移动,对于观察者来说光速都是恒定的,不会发生任何的变化。
既然光速是宇宙最快的速度,那么速度超越光速后会发生什么事情,产生什么后果呢?
为什么要超光速?
让物体移动的速度超越光速,一直以来都是科学家的梦想,现在人类的航天设备想要离开地球满足“第二宇宙速度”112km/s就足够了,以人类现在的科技水平让飞船实现百分之一光速都做不到,就想着超越光速是不是想得太多了?
对于人类来说光速很快,但是每秒30万公里这个速度放在宇宙尺度下,其实并不快。光是以光速沿着直线传播的,一束太阳光从太阳表面抵达地球大约需要8分钟,如果太阳突然从宇宙中消失,地球在8分钟后才会陷入黑暗。
即使太阳消失,我们仍然能在天空中看到太阳,太阳虽然不在了,它辐射出来的光还在传递,从这个例子我们就可以看出来,光速并没有我们想象的那么快。距离太阳系最近的恒星系是“比邻星系”,距离地球大约422光年。
如果人类可以让飞船以光速运动,也需要整整42年才能抵达比邻星系,往返一次考虑补给和休整,可能需要整整10年左右,人类的一生又有几个10年呢?在实现光速运动的情况下,前往距离地球最近的星系就需要这么久的时间,银河系的直径大约在20万光年左右,如果没有超光速技术,人类可能永远无法探索完整个银河系。
银河系对于我们来说很大,但是在整个宇宙中,其实银河系也很渺小,在“本星系群”中大约存在50个和银河系类似的星系,更大的“室女座超星系团”中存在100个和本星系群结构类似的星系群,室女座超星系团的范围大约是11亿光年,可观测宇宙是900亿光年,宇宙的浩瀚是人类无法想象的,想要探索宇宙全部的秘密,人类必须突破光速才行。
超光速会发生什么?
超光速会发生什么事情呢?首先我们要知道为什么不能达到光速,爱因斯坦认为任何存在“静止质量”的物体都是无法达到光速的,因为这个物体在运动的过程中,速度越接近光速,它的质量就会变得越大,想要让一个质量无限大的物体达到光速所需的能量是“无限大”。
如果爱因斯坦是正确的,那么别说超光速了,未来的宇宙飞船只能无限接近光速,永远无法真正地实现光速,越接近光速携带的能量就越大,一艘亚光速飞行的宇宙飞船如果遇到一个障碍物,发生的巨大爆炸会造成难以想象的破坏,而一艘超光速飞船如果发生意外撞上了障碍物(这可能是难以避免的),造成的巨大爆炸可能会摧毁整个星系。
值得注意的是,超越光速后不会让“时间倒流”,只会看到周围的一切在倒退,这是因为你的速度超过了光,接收了之前光子携带的信息造成的错觉
想要实现超光速运动,不仅仅要考虑怎么样实现超光速,还需要考虑超光速后的影响,现在最被期待的超光速理论是“曲率引擎”,这种引擎可以利用时空曲率让飞船实现超光速,还不违背相对论中光速最快的限制。
其实在我们的宇宙中,存在“超光速”的现象,比如说宇宙膨胀的速度就超过了光速,在宇宙大爆炸之后,空间膨胀的速度就变得越来越快,科学家推测现在宇宙膨胀的速度已经超光了光速,这代表两个距离足够远的星系,彼此之间相互远离的速度已经超过了光速。
当然违反相对论,原因在于相对论是有边界条件的,这个边界条件就是假设了光子或量子的质量为零,以及光速是宇宙中的更大速度等。但是从黑洞能够吸入光子或量子的事实证明,其质量不为零,只是我们目前的 科技 不能检测出光子或量子的质量而已。
量子是处于能量与物质之间的临界点的最小单元,所以量子纠缠就是能量与质量之间的相互制约或牵制,其中的纠缠速度就应该是能量的传播速度,这才是宇宙中真正更大速度。
至于量子的纠缠速度是光速的10000倍还是多少倍,现在还不得而知,要弄清楚这一点就必须先弄清楚如下一些问题:
1能量的本质是什么?
2我们怎样才能发现纯能量或暗能量。我们现在对能量的认识是依附于物质而存在的能量,例如,太阳能是依附于空气、水以及地球上其它物体、来自于太阳辐射的能量,化学能是依附于原子间的化学键的能量,核能是依附于原子核内部粒子间结合的能量,而生物能是依附于生物体的能量,等等。那么纯能量在哪儿?怎么看见它?
3我们怎样才能“抓住”纯能量或者暗能量?
雷电的真正形成机理可能是大自然给我们的“抓住”暗能量的提示之一。现在对雷达的形成机理说的是空气中的正负粒子分别聚集于上下两层云层中,最终达到放电条件而形成的。这是真理吗?其中有没有暗能量的参与?如果有,那么是什么物质或粒子让暗能量参与进了雷电能量的聚集?
搞清楚了上述三方面的问题,我们人类的 科技 将会前进一大步,将会突破现在的所有技术瓶颈。
需要指出的是,除了相对论的由于假设条件的错误所导致其局限性之外,我们还有一个认识是错误的,那就是温度没有上限的说法也是错误的。
温度是有上限的,这个上限就是能将物质(包括量子)完全转化成能量的温度即为自然界或宇宙中的温度上限。这个温度上限大约是数亿亿摄氏度到数十亿亿摄氏度之间,具体多少摄氏度,等待科学的解密。
量子纠缠不可以速度衡量!打个比方,你女儿在美国待产,你在上海,你女儿当妈妈的那一瞬间,你同时升为外公。这就是形象化的量子纠缠。
相互纠缠的二个量子,是阴阳关系,因此不存在速度问题,是同时产生、同时相同作用的。《首》
量子纠缠的速度是光速的起码10000倍,违反相对论吗?
量子纠缠没有速度,是一种现象和微观世界粒子的固有特性。量子力学认为,当几个粒子彼此相互作用后,粒子各自的个性就消失了,拥有了整体特性。这些粒子已经无法单独描述各个粒子的性质,只能够描述整体性质,这就是所谓的量子纠缠,或者叫量子缠结。
这群纠缠着的粒子集体特性即便把它们分开到很长距离,理论上可以无限远,这种纠缠态还存在。其实所谓集体特性说起来也很简单,就是这种纠缠主要表现在两个纠缠粒子自旋方向相反,一般表述为一个上旋一个下旋,一个左旋一个右旋。这种状态在人们没有观察时,不知道哪一个粒子是什么状态,两个粒子处于零自旋的纠缠态,就是两个直积态(product state)的叠加。狄拉克标记表述为:
其中的上下箭头分别表示粒子自旋的上旋下旋。
宣扬量子纠缠速度和所谓“思维速度”一样愚蠢。量子纠缠超光速的来源就是:把两个纠缠态的粒子分开,观测其中一个粒子,就知道另外一个粒子状态。知道了身边这个粒子自旋方向,就知道了在远方的那个粒子的自旋方向,不管这个粒子有多远。
有人比喻为一双手套,一只左手套和一只右手套,当装着这两只手套的盒子没有打开时,你不知道盒子里的手套是左手还是右手,处于左右手都可能的“叠加态”。只有打开了一只盒子,发现了其中装的是左手套,立刻就知道了另外一只是有手套。如果这只盒子距离有1亿光年,你也能够立刻知道了。
但这种现象是不能与光速相提并论的。光速是行进的速度, 量子纠缠只是猜谜的速度,就像有些人说思维有速度一样,想到哪就到哪,其实一寸也没有移动。 如果一定要把量子纠缠与光速相比,怎么能够得出10000倍的倍数呢?前面说了1亿光年你也立刻知道了,还不到一秒钟就知道了1亿光年远的那只手套,1个儒略年是31557600秒,1亿年就是3155亿秒,即便知道了那只纠缠态手套花了1秒钟,也比光速快了3155亿倍。100光年呢?还更远呢?
不确定性原理让观测成为测不准,因此毫无信息传递价值。用手套打比只是比较形象,但手套是宏观事物,与亚原子层次的粒子具有完全不同的性质。由于量子力学不确定性原理,测不准原理导致观测必定影响量子运动行为,这就给量子纠缠形成了一个悖论。也就是说无论你观测纠缠着的两个粒子哪一个,都完全改变了这个粒子的运动状态,从而无法同时知道粒子的确定位置或动量;同样另一头的那个被纠缠的粒子也无法观测确定,因此量子纠缠完全没有信息的传递和能量的传输,只能是量子力学里面微观世界性质的一种表述而已。
量子通信正是利用了量子不确定性原理,利用量子纠缠、量子不可克隆定理、隐形传态等特性,进行密钥分发,提升通讯安全保密程度而已,与量子纠缠的速度毫无瓜葛。
而且即便两个量子纠缠能够发生某种信息传递效果,那怎么把纠缠着的某个粒子送到数光年以外去呢?要知道现在飞得最远的旅行者1号飞了40多年,才走了223亿千米,要飞出1光年半径的太阳系,还需要飞17000多年呢。所以幻想着量子纠缠超光速的人们首先要想想怎么把纠缠粒子送到光年以外。
真空光速是爱因斯坦为人类制定的物质运动速度天花板。爱因斯坦狭义相对论根据科学界数百年积累的实验数据和理论,通过质速关系,论证了真空光速是我们世界最快速度,是物质运动速度的天花板,无法突破;并且通过洛伦兹变换完美揭示了真空光速不变、光速恒定、光速不可叠加原理,使光速成为现代物理学的一个最重要常数,也是最重要的一根支柱。
但光速不变,光速极限是有前提的,就是物质静止质量不为零,只要有静止质量的物体,就无法达到光速。一个质子、一个电子、一个中微子也不行。狭义相对论认为,有静止质量的物体如果达到光速,动能将会趋于无穷大。整个宇宙质能都不是无穷大,因此只能是个悖论。任何有静质量物体不要说超过光速,只要达到了光速,整个世界就将崩溃。
质速关系公式表达为:m=m0/ (1-v²/c²)
式中,m表示相对论质量,m0表示静质量,v代表物体运动速度,c为光速,准确值为c=299792458m/s。这个公式明确表示了物体惯性质量随着运动速度的增加而加大,速度趋于达到光速时,惯性质量趋于无限大。
世界上存在或者可能存在的超光速现象,都不是物质运动。而所谓的量子纠缠、宇宙膨胀、虫洞穿越、曲速航行都不属于物质运动速度,只是某种看似超过光速的现象,与物质运动速度无关。这些在时空通讯过去回答和文章中多有阐述,有兴趣者可以前往查阅,这里就不啰嗦了。
感谢阅读,欢迎讨论。
量子力学是研究微观粒子领域运动状态变化规律的一门学科,它从19世纪末期开始兴起以来,由于能够很完美地解释一些原子和亚原子层面上的物理现象,而这些又是经典力学和经典电动力学所不能圆满进行解释的,因此量子力学逐渐改变了人们对物质世界组成及其运动规律的认知,并在此基础上形成了原子物理学、核物理学等一大批新兴学科,而目前我们所依赖的计算机技术、芯片技术、通讯技术等众多领域,都是得益于量子力学发展所带来的重大变革和技术创新。
牛顿的经典力学主要解释的是宏观世界中的物体运动规律,相信大家在学生阶段学习物理时,对牛顿力学中的诸多公式所带来的复杂问题印象深刻,虽然我们身处宏观世界,对于这些力学现象的原理理解起来也大费周折。而量子力学作为研究微观世界的科学理论,它所表达的核心观点:“微观粒子物理体系的状态可以由波函数进行表示,而波函数的任意线性叠加结果仍然能够代表体系可能的一种状态”,充分说明了微观世界具有一定的随机性,虽然我们不能以宏观世界的不确定性来简单地理解这种随机性,但量子力学无疑超出了我们对宏观世界的想象,有时甚至会颠覆我们在宏观世界中的日常思维。
相信大家都听说过量子纠缠这个概念,从本质上来说,量子纠缠就是量子力学领域中的一种超远距离状态下的相互作用,用比较形象地语言来描述,那就是在微观世界的量子系统中,会存在着相互处于纠缠状态的一对粒子,即使它们被放置于非常非常遥远的两个地方,都能够感应到对方的存在和变化。按照量子力学的说法,如果两个粒子的自旋处在纠缠状态,那么无论它们相隔多远,如果观测者对其中的一个粒子进行探测,假如测得的粒子自旋为1/2,那么与之对应的另一个纠缠粒子便会立即坍缩到-1/2自旋的量子态。也就是说,无论处于纠缠态的粒子相隔是100公里,还是1光年,疑惑是1万光年,按照量子力学的观点,原本属于一个整体的纠缠粒子,在我们对其中一个进行测量确定其状态后,另外一个就会立即转变为与之相对反的对应状态。
这个听上去是不是觉得不可思议,就连包括伟大的科学家爱因斯坦都是这种感觉,于是爱因斯坦、波多尔斯基、罗森3位大佬,根据量子力学所描述的理论原则提出了EPR佯谬的观点,主要依据是宇宙的速度上限是光速,任何物质,包括信息的传递都不可能大于光速,像量子纠缠的这种“鬼魅般”的超距作用的产生,是由于之前作为整体存在的粒子,在分裂的瞬间,其产生的两个粒子的运动状态(自旋)其实都已经确定了下来,我们对它们进行的测量其实只是获取了它们的信息,而量子力学在微观世界的适用,则是我们无法通过现有手段去探测到更深层次的信息而已。
而哥本哈根派量子力学的代表玻尔作出了明确的反击,指出在粒子在分裂之前还是之后,都是一个统一的整体,而人类对它们的观测,则引发了粒子运动状态即自旋的改变,不能用经典力学的观点来理解微观世界的量子现象。量子力学和相对论固然是物理领域最重要的两大基础理论,但是它们的出发点和解释物质运动变化的原理是处于两个层面之上的,无论是哪种理论都无法说服或者推翻对方,这也是现代物理学的魅力所在。
根据爱因斯坦狭义相对论,任何有质量的物体都无法加速到光速,因为在洛仑兹变换的推导之下,可以描述出物体在运动状态下,其运动质量与运动速度之间的关系,即M=M’/ {1-(V/C)^2},运动速度越快,其运动质量就会越大,达到这个速度所需要的能量就会越大;而当运动速度接近光速时,其运动质量就会接近无穷大,按照质能等价方程E mc^2,要达到这个速度所需要的能量就会无穷大,这显然在现实世界中是无法实现的。不过,爱因斯坦的光速不变和光速更大理论,有个重要的条件就是零质量的物质可以达到光速,比如光子,一经产生就可以不用加速就达到光速。
按照量子力学的观点,量子纠缠实质上是一种特殊情况下的复合系统量子态表现,它具有不可分解性,不能将之前整体的系统特征,再通过简单地分解,使其成为系统不同量子态的成员的张量叠加,即使是分解之后的两个粒子,它们之间也不会进行任何的关联性信息传递,而不传递信息的速度,不适用于爱因斯坦的相对论,因此,我们说处于量子纠缠态的粒子之间的运动,无论是它们相隔多远,其变化之间的规律根本就不会违反相对论。这里需要指出的一点,现在我们所发展和应用的量子通讯技术,并非以超光速进行实现通讯信息的传递,实际上它的速度也只是电磁波的速度,这里的量子指的是一种特殊的加密技术而已。
现在还有一个看似和相对论矛盾的问题,就是宇宙膨胀速度超过光速的事实,根据哈勃定律我们可以计算出在距离地球326万光年处,目标星系远离我们的速度约为67公里每秒,这也就意味着距离我们146亿光年之外,目标星体的退行速度就已经超过了光速。但是这个速度仅仅是空间的膨胀速度,其中也没有传递任何信息,因此同样也不违反相对论。
首先我们要明白到底什么是量子纠缠。
在围观世界中,当几个粒子相互作用后,单个粒子所拥有的特性综合为整体性质,无法描述单独粒子的性质,只能描述整体的性质,这种现象就被称为“量子纠缠”!
量子纠缠是一个整体性,严格来讲并不能用速度来描述。当我们试图观察其中一个粒子的状态时,另一个粒子的状态瞬间就确定下来,同时两个粒子的量子纠缠现象瞬间就消失了,彼此之间不再有纠缠关系。
用宏观世界形象的例子来形容量子纠缠的这种关系:
就像一副手套分别被装在两个袋子里,我们不知道哪个袋子是左手套,哪个是右手套。假设两个袋子分别放在宇宙的两端,相距非常遥远。当我们打开其中一个袋子时,比如说发现是左手套,另外一个袋子的状态马上也确定了,肯定是右手套!
有一个特点非常明显,量子纠缠不传递任何信息。
而爱因斯坦的相对论中的光速限制是有前提的,并不是说任何速度都不能超越光速,这个前提就是:任何携带信息或能量的物质都不能超光速,而量子纠缠本身并没有传递信息!
所以,量子纠缠并没有违反相对论,严格来讲两个没有任何关系,根本不在同一个频道上!
量子纠缠用爱因斯坦的话说是:鬼魅般的相互作用。
目前量子纠缠的原理未知,不过我们叫它“隐形态传输”。所以量子纠缠未必要通过信号传输来建立联系。
举个例子:你和你爸是一对纠缠态量子,你在地球,你爸在遥远的仙女系 星座 。这时候你生下了一个儿子,你的状态就改变了,变成了爸爸。
而你远在仙女系的父亲,在你生下孩子的那一刻,跟你在同一刻状态改变了,升级成了爷爷。
这个改变是瞬间的,并不需要信息传输,所以量子纠缠未必需要以光速传递信号。
当然用宏观世界举例对于微观世界的量子来说并不合适,量子纠缠也未必就是原理,但起码说明一点:不要抓着相对论不放来验证量子力学,这个事情上相对论不一定错,只是我们还不知道量子纠缠的原理而已。等搞清楚了确实纠缠态量子之间确实需要传输信号,再来否定相对论也不迟。
哇!恭喜你,你知道的是假的,不是真的,谁给你说量子纠缠的速度是光速的起码10000倍?
量子纠缠是一种现象,指纠缠的微观粒子之间,不管相距多远,哪怕是宇宙的两端——如果宇宙有两端的话,它们之间也心有灵犀一点通,其中一个状态发生改变,另外一个也会马上改变,中间没有任何时间过程。既然没有时间参与,当然也就不存在什么速度了。如果有人非要知道量子纠缠的速度是多少,你可以告诉他,速度等于运动距离除以运动时间,如果你能算出量子之间的距离除以零是多少的话,那么这个答案就是量子纠缠的速度了。
相对论是说,有静止质量的物体运动速度不能达到或超过光速,或信息传递的传递速度不能超过光速。虽然纠缠的量子可以在超远距离上瞬间改变状态,看起来像是传递信息的速度超过了光速,然而状态的改变不是信息传递。因为这种状态改变是随机的,无法用于传递信息,所以和相对论并不矛盾。
量子纠缠速度起码是光速的10000倍,违反相对论了吗?
很多朋友在举例超光速案例时,切伦科夫辐射是必须举例的对象,但它是介质中的超光速现象,并没有在真空中超过光速!当然很多朋友又会举例量子纠缠在任何状态下都能超光速,而且就是实时的,远不止光速的一万倍!果真是这样吗?
量子纠缠到底是什么东西?它真超光速了吗?
量子纠缠最早应该追溯到爱因斯坦和波尔之间的一场"战争",1905年爱因斯坦以一篇光电现象的论文确立了和普朗克一样的量子力学的宗师地位,但比较耐人寻味的是无论是爱因斯坦还是普朗克,他们都走向了极端保守的一面,而爱因斯坦则走得更远一些,毕生都想让量子力学回归经典的因果律,因为量子力学的发展,推导出了匪夷所思的违反因果律的结论,为此他提出了一个又一个思想实验,试图将已经疯狂的量子世界重新回归经典!
从光箱实验到EPR实验
1930年第六届索尔维会议召开,爱因斯坦提出了一个光箱实验,试图精准打击海森堡的公式 E t>h/2π不成立,这是量子力学的根基海森堡不确定性原理的数学描述,爱因斯坦试图通过直击要害完成量子力学回归,但很可惜他忘记确认一点,在光箱实验中他居然忘记考虑了相对论的红移效应,结果被波尔击溃,简直就一败涂地!
1935年3月爱因斯坦和他的同盟军波多尔斯基(Boris Podolsky)和罗森(Nathan Rosen)一起,发表了一篇《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗?》,提出了一个一直到现在仍然在持续发酵的实验:
这就是三位大神的名字首字母命名的经典实验EPR佯谬!对于波尔这些量子力学的支持者来说,根本不成问题,因为他们的解释是两颗粒子在观测以前,无论它们相距多远,都是处在叠加态,也就是跟两者距离无关,但显然这个解释并不能令爱因斯坦服气!
而当时技术条件有限,爱因斯坦就带着这样对温暖的经典世界无比怀恋和对量子力学的愤愤不平中在1955年4月18日去世。
量子纠缠超光速了吗?
EPR所设想的那种纠缠难以实现,因而难以用实验来检验。尽管量子力学界从来都不会认为波尔的观点是错的,但贝尔不等式的提出有了以实验检验真理的方式,大家肯定是愿意围观凑个热闹了!
1969年,Clauser等人改进了玻姆的EPR模型后,在伯克利、哈佛和德州进行了一系列初步实验,出乎贝尔的意料的是,除了一个实验以外,其它实验都指向了量子论预言的结果!
贝尔不等式实验验证示意图
法国奥赛理论与应用光学研究所的阿莱恩·阿斯派克特带领的团队在1982年代做了一个著名的实验,这就是被称为二十世纪影响更大实验之一的阿斯派克特实验,结果是爱因斯坦输了,同年12月阿斯派克特团队的论文发表在了《物理评论快报》上。
所以量子纠缠根本就无需用光速来衡量,就像哥本哈根诠释认为的那样,在被观测以前,两颗纠缠态的粒子即使在相距再远的距离上,比如宇宙的两端,它仍然被看成是一个叠加态,而这个叠加态并不是以距离远近来形容!所以当观测任何一颗粒子时,观测的是这个叠加态,而不是单颗粒子。
宇宙中真的没有超光速的传递吗?
其实还真有,德布罗意提出的德布罗意波就可以远超光速,而宇宙的膨胀也能超过光速,但无一例外的是两者有一个共同点,就是无法传递信息,这也是狭义相对论中所要表达的光速不可超越的真正含义!
光速就是我们这个宇宙的天花板,但即使达到光速我们也无法跨越宇宙。
如果用 2083倍 的超光速来穿越银河需要多少年?2019年,前美国宇航局(NASA)科学家詹姆斯·奥多诺用软件模拟了人造飞船在超光速下的飞行动画。根据动画显示,当超光速达到2083倍时, 我们想要穿越银河仍然需要96年 ,对此他感到绝望。
在动画中,扭曲因子1表示光速1倍,当 扭曲因子达到999 更高值时,则表示 光速2140倍 。动画测试了飞船在不同等级的超光速下,飞行至冥王星与比邻星需要花费的时间。
冥王星距离我们的距离大约为 59公里 。当飞船速度为1倍光速时,飞船几乎停止不动, 到达冥王星需要5个多小时 ,而到达 比邻星则需要4年3个月 。
当扭曲因子加到5时,飞船的速度增加至 213倍超光速 ,此时到达冥王星需要1分30秒,而到达比邻星还需要一周。 当扭曲因子增加至99时 , 飞船速度达到2083倍超光速 ,此时越过冥王星需要 10秒 ,而要到比邻星星系仍然需要 18个小时 。
而有着 2000-4000亿 颗的银河系,直径为 20万 光年,如果飞船以 2083倍 超光速来超越银河系,那么至少需要96年的时间。这意味着,在超光速下, 人类即便有一生的时间,也难以穿越银河系 。
而在这样浩瀚的宇宙中,银河系也只是其中一支,在大到 几乎看不到边际的宇宙 ,连超光速都显得如此慢。
实际上,我们目前最快的速度也只能接近光速,要到达 2083倍 超光速,不知道还需要科学家经过多长时间才能达到,而即便我们真的到达那个速度,似乎对于宇宙来说也是 微不足道 。
超光速 到底是个什么样的速度?人类能不能达到这个速度?现在 人类能够达到的速度又是多少 ?等等一系列的问题,本文将为大家一一解答。
超光速顾名思义就是 超越光的速度 ,也就是要大于 光在真空中传播的速度 。我们先来了解一下光速。
光速是目前人类发现的最快的速度,可以达到 299,792,458 m/s 。我们所说的光年就是指光在宇宙真空中直线行驶的距离。一光年大概可以换算为 9,460,730,472,580公里 ,这是一个什么概念?
这样来说,如果以我们开车的速度达到 300公里/小时 (当然我们平时肯定不能达到这个速度)。用这样的速度跑完这段路程, 我们需要花费的时间大概是360万年 。
那我们人类现有的技术,能够达到光速吗?当物体的速度达到光速的 四分之一 时, 物体的质量和速度成正比 ,也就是说,物体的 质量会随着速度的增大而增大 。
如果我们想要接近光速,那么物体的质量也会 趋近于无穷大 ,因此有 质量的物体要达到光速的可能性几乎为零 。
在宇宙中能以光速行进的,就是静止质量为零的光子。不过,人类现在的技术在不断地突破和发展。
目前人类建造的 大型粒子对撞机 ,可以将粒子加速到接近光速,可以达到 299,792,455m/s 的极限速度, 比真空中的光速慢0000001% 。
看到这个差值是不是觉得人类达到光速或者超越光速也就是再加一把劲的事了? 实际上可没有看起来那么简单 。
因为就连在黑洞中的 宇宙射线的速度也比光速低 ,它的极限速度可以达到 299,792,4579999999999999992m/s ,和光速相比仅仅只差 00000000000000008m/s 。
所以以人类现有的技术,想要达到光速都难于上青天。不过即便很难,人类也未曾想过放弃,甚至还提出了超光速的概念, 如果我们绕开爱因斯坦光速极限的规则 ,那么人类也 有可能达到超光速 。
由于我们 探索 宇宙的距离实在是太过遥远,因此人类一直在致力于 突破现有的更高速度 。
人类在大气层中速度最快的飞机,是美国NASA利用超音速冲压发动机制造的 X-43A超高音速无人侦察机 。
2004年,经过改装的 B-52轰炸机 搭载飞马座火箭冲上了 12000米的高空 ,并将其发射出去。此时火箭加速到了音速,随后火箭发射出 X-43A侦察机 。在最后的冲刺阶段,侦察机打洞了 98马赫的速度,相当于11000公里/小时 。
如果使用这样的速度在国内 旅游 ,那么只需要 6分钟就可以从北京飞到上海 ,只需要4分钟,就可以从上海飞到台北。
而 历史 上载人飞船速度最快的,是美国的 阿波罗10号载人飞船 。1969年,阿波罗10号执行完任务后,从月球返回地球。在返回大气层的时候,飞船速度加速到了 4万公里/小时 ,也就是 11000m/s 。
1977年由,美国NASA研制的无人外太阳系空间探测器—— 旅行者1号 ,已经飞行了大约 216亿公里 ,是 人类目前飞行距离最远的飞行器 。
它的飞行速度目前估算为 25000m/s ,也就是 90,000公里/小时 。如果按照它现在的飞行速度,能够一直飞行下去,那么 穿越银河系应该是在25亿年以后了 。
2018年美国NASA像太阳发射了 “帕克”太阳探测器 ,这是人类“首次”直接触摸太阳。“帕克”太阳探测器在接近太阳时,速度更高可以达到 109,000m/s ,大约是 392公里/小时 。
“帕克”太阳探测器是人类目前速度最快的飞行器,但其速度只达到了 光速的00003% 。
人类目前可以达到的更高速度相比于光速还是差太多,尽管我们前文提到的 大型粒子对撞机的速度可以接近光速 ,但人类想要实现在 星际遨游的梦想 ,还是需要达到 超光速才有可能 。
如果爱因斯坦的 光速极限理论成立 ,那么我们要实现超光速就很难。但是如果我们绕开这个规则呢?
爱因斯坦曾说过,时空可以扭曲。当我们的宇宙飞 船与周围的空间是相对静止时 ,如果我们将宇宙飞船前面的空间进行压缩,让后方的空间进行膨胀。那么就可以 利用空间的曲率 ,让宇宙飞船以超光速向前行进。
这种曲相推进的系统类似于《星际迷航》中的曲速引擎,在1994年,由物理学家 米盖尔・阿尔库比雷 ( Miguel Alcubierre)首次提出。他根据广义相对论推导出 “阿库别瑞度规” ,这个时空度规允许飞船以波动方式延展空间,从而为 曲速引擎提供了科学理论基础 。
时空弯曲可以使得物体以 超光速旅行 ,并且保持在 一条类世界线上 。当空间扭曲得越厉害,宇宙飞船行驶的速度越快。
研究人员将曲速引擎划分为若干个等级,等级数与速度成正比。根据计算, 1级曲速引擎可以达到光速 , 2级曲速引擎可以达到10倍光速 , 当曲速引擎达到99级时,可以达到3053倍光速 。
我们前文提到的詹姆斯·奥多诺,通过 扭曲因子 进行模拟超光速动画的原理是一样的。不过其数据可能也在经过科学家们的不断计算而有所变化。
以现在解释的这个曲速引擎来看,如果以 3053倍光速穿越银河至少需要328年 ,而要到达远在 254万光年的仙女座星系 就需要832年。
如果我们将宇宙缩小来看,可以看到其就像我们的 大脑神经一样 ,密布着各类星系,星云等。而 仙女座星系与银河系相邻 ,它 和银河系、三角星 系等50个星系组成了 “本星系群” 。
“本星系群” 又与临近的大约 100个星系团组成更大的“室女座超星系团” 。其又与 “孔雀-印第安超星系团” 和“ 长蛇-半人马座超星系团” 组成庞大的 “拉尼亚凯亚超星系团” ,它的 直径达到52亿光年 。
如果以 3052倍超光速 飞行,需要差不多 17万年 时间才能飞出 “拉尼亚凯亚超星系团” 。
而我们目前可以观测到的宇宙, 直径高达930亿光年 。无法想象,我们要遨游宇宙会有多么困难, 科学家对超光速感到绝望也是情有可原了 。
虫洞最早也是由爱因斯坦提出,他当时预言宇宙中还存在 黑洞、引力波和虫洞 等等。如今科学家已经陆续在宇宙中发现了黑洞和引力波,但对虫洞的存在还没有证据表明。
根据科学家的说法,虫洞是弯曲时空中连接两个地点的捷径,就像我们的 时空隧道 一样,可以用比光速还快的速度从A地到B地。
如果要开一个虫洞就需要 改变时空的拓扑结构 ,在量子引力论中可以实现。不过要开虫洞就需要满足这个区域内是负能量,此前有科学家建议可以在 大尺度上利用Casimir效应或者宇宙弦来产生负能量 。
但是这些建议有些不切实际,因为产生的负能量可能无法按照原本设想的形式存在,也就无法形成虫洞。而且科学家还认为 虫洞就算存在也具有不稳定性 ,因此要利用虫洞来实现超光速旅行还有待研究。
量子纠缠 可以说是鬼魅般的存在,连爱因斯坦都因其头痛不已。在量子世界中,两个伴生的粒子处在一个 不确定的纠缠状态 ,不管它们相隔多远,当其中一个粒子受到影响,另一个粒子也会受到影响, 两个粒子之间的传输速度远远超过光速 。
如果我们能够将量子纠缠运用到穿梭宇宙中,那么就可以 实现超光速旅行 。不过要证明量子纠缠的正确性还需要科学家进行反复的实验和研究,相信在未来的某一天我们就会 利用量子纠缠实现遨游宇宙的梦想 。
虽然我们现在的技术无法达到超光速,但是宇宙中却存在着很多 超光速的现象 。
1934年前苏联物理学家 帕维尔·阿列克谢耶维奇·切伦科夫 发现一种超光速的电磁辐射,它在介质中的速度(水中为075c)小于真空光速。而核反应堆中的粒子在水中可以超过光速,于是这种电磁辐射被命名为 切伦科夫辐射 。
1969年,J GUBBAY等人就在《自然》上发表论文,表示他们观测到 3C 273喷流的速度超越光速 。这一结论在1981年得到证实。有研究团队对比了 1977年和1980年3C 273喷流的照片 ,发现 其速度是光速的96倍 。
此外一直以来我们都认为 宇宙爆炸是源于一个奇点 ,而我们的宇宙从诞生至今 一直处于不断膨胀的状态 ,并且其膨胀速度还在增加。据科学家观测, 宇宙诞生之初的膨胀速度可以达到一秒一光年的范围。
在庞大的宇宙中,还存在着许多超光速的现象。以人类现有的技术可能要实现超光速还是有点困难。但尽管如此,我们 探索 宇宙的脚步也不会因此而停滞 。相信总有一天,我们会发明出 超光速的飞行器 ,去更广阔的宇宙中 探索 。