楠木軒

如果速度超過光速會有什麼後果?會和相對論衝突嗎?

由 頻長志 發佈於 科技

光速不可超越似乎是我們這個宇宙的初始設定時的一項重要參數,因為到現在為止關於速度的一切發現,光速都是天花板,宏觀物體我們沒有能力加速到光速,但對於微觀粒子,可以加速到99.999999%的光速,但始終距離光速有一步之遙!


大家印象最深的星戰中的超光速,但其實超光速不是這樣

光速不可超越,不僅無法超越,甚至連達到都不能,而接近都那麼困難!

為什麼光速不可超越?

我們現在知道光速大約30萬千米/秒,這速度實在是太快了,這導致了測量技術與手段缺乏的古代,認為光速是無窮大的,因為從現實中觀察到的光速都不要時間!


第一個測量光速的科學家是伽利略,很可惜他用兩個燈籠打開的方式很明顯無法測量出光速,第一個用科學方法測量光速的是丹麥天文學家羅默,1676年木星衞星食的延遲原因的推測上他認為是光速有限速度所致,並且測量出光速大約是22萬千米/秒。


準確測量光速的大神是傅科,他用齒輪法準確的測出了光速,而且一直到現在,這個光速的精度仍然是很高。1950年路易斯·艾森用諧振腔所得出的光速值為299792.5±1 km/s,1972年美國科羅拉多州波德的國家標準技術研究所利用激光干涉法測定光速,得出c = 299792456.2±1.1 m/s


傅科測量光速原理圖

1983年的第17屆國際計量大會將1?299792458秒內光在真空中所運行的距離定義為1米,因此光速已經被固定,而更精確的米才是要測量對象。

從麥克斯韋到愛因斯坦

麥克斯韋方程組中可以推導出光速是一個恆定值,所以光速也是可以被算出來的,而在以太漂移實驗中的零結果,洛侖茲解釋為運動方向上長度減少所致,但仍然堅持以太,結果十幾年後愛因斯坦直接拋棄了以太概念拿出了狹義相對論,洛侖茲腸子都悔青了!緊接着質能方程也推導出來!


邁克爾遜-莫雷測試裝置示意圖

其中參考了洛侖茲的長度縮短和時間增加等洛侖茲變換的概念,但拋棄了以太,愛因斯坦也説如果他沒有推出狹義相對論,那麼其他人(十有八九是洛侖茲)也會在5-10年內搞定狹相!


光速無法達到,這是狹義相對論中推導出來的結果,而所有實驗指向都同樣如此,一個質增效應就會讓所有在速度上的努力付諸東流,這就歐洲粒子中心無論怎麼加速,都不可能讓質子束達到光速,而只能無限接近光速的原因,至於有多接近,那麼就看人類的加速器規模了!


劉慈欣的《朝聞道》中有一個有趣的設定,即人類製造了換赤道的加速器,卻被超級文明沒收了,被告知是加速器能量超過了宇宙大爆炸的能量級別,會導致宇宙進入不可逆的真空衰變,挺有意思,各位可以瞭解下!

宇宙中的超越光速的現象

儘管説光速不可超越,但事實上宇宙中存在很多超光速現象,比如德布羅意波就是超光速的,還有你打着激光筆,迅速劃過天際,那個軌跡也同樣超光速了,那麼是否表示宇宙中光速可以超越,愛因斯坦的相對論錯了嗎?


紅點以相速度運動,綠點以羣速度運動。紅點從左向右運動的過程中兩次跨過綠點,相速約略為羣速度2倍

信息傳遞不可超過光速,所以德布羅意波的相波超光速並不違反這個設定,所以下面來看看那些超越光速甚至還能被觀測到的現象,到底有哪些!

切倫科夫輻射

這是介質中的粒子超越光速所輻射的電磁輻射,這是1934年,蘇聯物理學家切連科夫發現的。1937年,另兩名蘇聯物理學家弗蘭克和塔姆成功地解釋了切連科夫輻射的成因。1958年,三人因此共同獲得了諾貝爾物理學獎。


因為光在水中的速度只有真空中的75%,所以我們所説的光速不變必須要加一個前提,也就是真空中光速不變,那些核反應堆中的帶電粒子超過水中的光速時,散發出的類似於超音速飛行時音爆,當然只能做個比喻!

宇宙膨脹超過光速

這是從弗裏德曼和勒梅特愛因斯坦廣相中推導出來,後被哈勃觀測證實的宇宙膨脹,經過現代多種手段測定後當前採用的膨脹速度是67.15千米/秒·百萬秒差距,按這個速度推算,宇宙大約在145億光年外膨脹超過光速。


但其實這並不是天體運行的速度,而是臨近空間的膨脹所累積,它們相對於鄰近天體的速度仍然遵守膨脹的速度比,也就是67.15千米/秒·百萬秒差距,只是在我們看來似乎已經超光速了,不過超越了光速的區域我們永遠都看不到,因為光用不可達。


除了這兩個外還有量子糾纏效應,這個是愛因斯坦提出的EPR佯謬中延伸出來的實驗,現在被用來作為量子密鑰分發,但對於兩個糾纏的量子來説無論處在何時何地,在觀測之前都是疊加態,所以距離根本就不是什麼問題。


還有一種是假設中的快子,其實狹義相對論並非不允許以光速以上的速度運行,只是不允許降低到光速以下,這是是一種理論上預測的超光速亞原子粒子。這種由相對論衍生出的假想粒子,總是以超過光速的速度在運動,所以它即使存在,我們可能也無法檢測到!


所以,這就T-M-D是一句廢話,這個假設科學家賺了,他們終於設定了一個無法證偽的假設,但卻無法反駁他,算他們贏吧,所以這就是一個問題,你是相信快子有還是沒有呢?留言投票吧!