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光速是宇宙的速度极限吗?与这几种速度相...

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光速是宇宙的速度极限吗?对于这个问题,相信不少人都会给出肯定的答案,因为在相对论里,光速就是物体运动速度的极限。然而这种理解是片面的,其实相对论是这样讲的:1、任何具有静止质量的物体的运动速度都不能达到或超过光在真空中的传播速度(c);2、任何信息或能量的传递速度都不能超过光在真空中的传播速度。

在相对论的框架里,只要不违反上述设定,超光速现象是可以存在的。比如说当光在水中传播时,其速度只有真空中光速的75%,在这种情况下,我们只需要将在水中运动的物体加速到0.75c以上,就可以在水中的超越光速。

上图为核反应堆中出现的“切连科夫辐射”,图中的蓝色辉光其实是一些电子在核裂变过程中获得到足够的能量,以至于它们的运动速度超过了光在慢化剂中速度,进而产生的一种“光爆”现象(原理类似于音爆)。

当然了,这种超光速其实是先将光的速度大幅降低,然后再去超过它,这不免有一点“作弊”的嫌疑,那么有没有什么速度可以直接超过真空中的光速呢?答案是肯定的,实际上,光速并非宇宙的速度极限,与以下这几种速度相比,光速简直是慢如蜗牛。

宇宙膨胀速度

根据天文学家的观测,宇宙处于一种加速膨胀的状态,具体表现为,宇宙中的两个点之间的距离每增加326万光年,其因为宇宙膨胀而造成的相互远离的速度就会增加大约68千米/秒。

注意,这个速度是可以叠加的,意思就是说,假如在距离我们326万光年有一个星系,那么这个星系就会因为宇宙膨胀而以大约每秒68千米的速度远离我们,距离我们652万光年的星系,会以大约每秒136千米的速度远离我们,而那些更远的星系,则会以更快的速度远离我们而去。

据此我们不难计算出,距离我们大约144亿光年的星系,其远离我们的速度就已经达到了光速,距离我们288亿光年的星系,则会以2倍光速远离我们而去,而如果宇宙空间足够大,那么这种速度就会随着距离的增加而叠加到我们根本无法想象的程度。

宇宙诞生

关于宇宙的诞生,科学界的主流观点是“大爆炸宇宙论”,但该理论却面临着一些难以解释的谜团,所以在1980年的时候,科学家提出了“暴涨宇宙论”来对“大爆炸宇宙论”加以完善,时至今日,该理论已得到大多数科学家的认同。

根据“暴涨宇宙论”的描述,在宇宙诞生后的10^-35秒至10^-33秒之间,宇宙曾经经历过一次“暴涨期”,在这极为短暂的一瞬间,其尺寸急剧增加了10^26倍,在此之后,宇宙继续膨胀,只不过速度放慢了很多。

这个“暴涨”的速度到底有多快呢?这样说吧,假如宇宙中某一区域的尺寸在“暴涨”前为1毫米,那么在“暴涨”之后,该区域的尺寸就达到了10^23米,换算下来就是大约1057万光年。相比之下,光速在这极为短暂的一瞬间,却连一个质子的半径都跑不完。

量子纠缠

未被观测的量子都是处于一种“叠加态”,例如一个粒子的自旋原本可以明确地分为上旋和下旋,但当它处于“叠加态”时,其自旋就变成了“既是上旋又是下旋”这样一种模糊的状态,而在其被观测时,这种“叠加态”就会瞬间坍塌,粒子的自旋也就确定了。

在量子力学中,当两个处于“叠加态”的粒子在经过彼此作用之后,就会形成一种特殊的“纠缠态”,科学家发现,处于“纠缠态”的两个粒子,彼此之间存在着一种神秘的联系,只要测量了其中一个的状态,那么另一个粒子的“叠加态”就会瞬间坍塌,其状态也就确定下来。

比如说当一个粒子的自旋确定为上旋,那么另一个粒子的自旋立刻就会确定为下旋。

更神奇的是,这种联系是无视距离的,从理论上来讲,即使两个处于“纠缠态”的粒子相距上百亿光年,只要其中一个的状态被确定,另一个也会瞬间“感应”到其“同伴”的变化,并立刻出现相应的变化。

小结

可以看到,与这几种速度相比,光速简直是慢如蜗牛。需要说明的是,因为宇宙的“暴涨”以及膨胀都是空间自身的变化,而量子纠缠则不能用于传递信息,所以它们都没有违反相对论。

(注:处于“纠缠态”的两个粒子一旦被测量,它们之间的联系就马上断开,而“叠加态”又是不确定状态,因此量子纠缠不能用于传递信息)

宇宙大得令人难以想象,就算人类能够以无限接近光速的速度飞行,也无法洞悉宇宙的奥秘。幸运的是,光速并非宇宙的速度极限,因此我们完全可以想象,在遥远的未来,或许人类可以通过某种方式来摆脱光速的桎梏。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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