宇宙为何有光速限制?当速度无限接近光速时,会产生什么后果?

宇宙为何有光速限制?当速度无限接近光速时,会产生什么后果?

宇宙中的光速是每秒30万公里,那么光速是不变的吗?答案是肯定的。

爱因斯坦的狭义相对论中,最重要的一个理论就是,光速不变理论,即真空中光速在任何参考系下是恒定不变的,而且任何物体的速度都不会大于光速。

根据著名物理学家爱因斯坦的质数公式(如下图):

m₀表示物体的静止质量,m为物体运动以后获得的运动质量,v代表物体的运动速度,c表示光速,v越大,那么分母越小(当v=0的时候,静止质量就是运动质量),在静止质量不变的情况下,物体的运动质量越大。

所以当v接近c时,运动质量变得无穷大,而当一个物体的相对质量无穷大的时候,反过来,根据牛顿F=ma的力学方程来推测,需要无穷大的力,才能给物体提供加速度,使之运动。

这个无穷大的力,在现实生活中暂时无法找到,让物体无限地接近光速,只能存在理论上接近,实际上无法无限接近,更不能超过光速。

从理论上来讲,当物体以接近光速运动时,物体的长度会被压缩,时间会减慢,质量会无限增加。

举个例子,假设当宇宙飞船接近光速飞行时,飞船外的人会看到飞船的长度变短,甚至趋近为0,同时飞船包括宇航员的质量都倍增,而时间会变得非常慢。

实际生活中,从狭义相对论的角度分析,在地球上的人去看太空中宇航员的时间就放慢了。

通常宇航员会在离地球400公里的高度飞行,地球人就会有机会看到宇航员以7.7公里/秒的速度做运动。用地球上原子钟计算,太空上宇航员的时间每秒会比地球上慢0.327纳秒,一天会慢28微秒,一年下来会慢10毫秒。

所以,从地球人的角度来看,宇航员在太空中过的时间会慢一些,但时间差别实在太小,几乎没有差别,因为速度远远低于光速。

那么如果人类超光速飞行会怎么样?这就要聊下著名的外祖父悖论。

就像我们在许多电影里看到的一样,如果一个人用超光速飞行,那么就会导致时光倒流,这个人可以回到外祖父和外祖母结婚的那一天,杀死了外祖父,这样就不会有他的妈妈,就更不会有他的存在。

问题来了,如果这个人回到过去把自己杀了,死了的他,怎么还会出生,然后再进行时空穿越呢?如果真有这样的事情,因果循环将不复存在,但并不是没有可能。

因为超过光速的物体是存在的,比如宇宙,宇宙的膨胀速度是超过光速的,这又是怎么回事呢?

宇宙直径大约是900多亿光年,关于900多亿光年外是否还有外宇宙空间,暂时未知,但宇宙自大爆炸只有138亿年的历史宇宙直径产生比宇宙诞生的时间高出6倍多,很明显,宇宙膨胀的速度比光速快。
有人可能会感到疑问,爱因斯坦关于光速不变的理论是否有问题,其实没有问题。

爱因斯坦相对论面向的是宇宙中的实体物质,只要是有静态质量包括人类,其速度是不可能达到光速的。

而宇宙不是,目前为止,科学家还没有办法完全推导出宇宙大爆炸的起因和过程,所以无法解释为什么宇宙膨胀的速度比光速还快。

通过哈勃望远镜,科学家们曾发现银河系之外的星系都在不断地远离银河系,说明宇宙还在膨胀中,有一种推论是,宇宙膨胀的原因来自于我们看不见的物质,这种物质被称为是暗物质。

1884年,威廉汤姆森估算出了银河系的质量,但是预算结果远比实际观测到的恒星大,他判断银河系中还有些看不见的星星。

1936年,天文学家辛克莱尔发现,距离室女星系中心较远的星体运动速度和距离星系中心较近的星体速度差不多。

而根据万有引力定律和天体力学,星系中心的天体移动速度要比距离星系较远的天体移动速度更快才对,辛克莱尔和威廉汤姆森一样,也觉得宇宙也有些看不见的星星,这种星星就是“暗物质”。

如今的科学手段还无法观测到暗物质的实际结构,但科学家相信,宇宙中一定存在暗物质,而且暗物质的能量肯定十分巨大,宇宙中的物质能够稳定的运动,就是因为有暗物质的存在,也是宇宙膨胀速度比光速还快的原因。

设想一下,人类如果能早日揭开暗物质的神秘面纱,充分利用暗物质的特性,说不行就能真的超越光速飞行,而不是停留在理论上。

除了宇宙的膨胀速度可以“超光速”,量子纠缠的速度也超越了光速,甚至比光速快10000倍。那么量子纠缠究竟是什么,为什么速度会这么快呢?

量子纠缠是两个或者两个以上粒子相互影响时产生的现象,即使这些粒子在空间中是相互分开的,它们也可以相互影响。

量子纠缠最神奇的地方在,假如一个量子在太阳,另一个量子在火星,任意改变一个量子的状态,另外一个量子的状态也会发生变化。不过量子纠缠并不传递信息,也没有让物体进行移动,因此不违背光速不变原理。

随着科学技术的发展,人类对宇宙和天体物理的认知也是一直在不断的革新,不断地学习当中,没有什么是绝对正确的理论,只是在某种特定的条件下,暂时没有被推翻而已。哪怕是爱因斯坦关于光速不变的理论,也只是假设。

只能说,光速是否真的有限制,这个答案以现今的科学发展和人类认知来说,暂时是有的。

就像1966年是牛顿奇迹年,1905是爱因斯坦奇迹年,也许不久的将来物理学还有新的奇迹年,告诉我们光速没有限制,那么人类以接近光速飞行甚至是超越光速飞行或许也不是件难事,电影里时空穿越的剧情也能成为现实。

作者:子子 初审:丁孩儿 校稿编辑:小宛

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