愛因斯坦在1905年發表了狹義相對論,帶領人類認識了一個全新的物理世界。在狹義相對論中,他認為時間和空間都是相對的,只有一種現象是恆定的,可以將時間和空間聯繫到一起,那就是光速,從而提出了光速不變原理。
即無論在何種慣性系(慣性參照系)中觀察,光在真空中的傳播速度都是一個常數,不隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變。所以光速被認為是目前宇宙中最快的速度。那麼未來有可能發現比光速還快的速度嗎?
光在我們的生活中隨處可見,那麼光的本質是什麼?其實關於這個問題曾經困擾了好幾個世紀中物理學界的偉大人物,他們一直都在不斷的爭論光究竟是粒子還是電磁波。
最先提出光是粒子這個概念的是牛頓,這是由於微粒受力更加符合他提出的力學定律,但在當時惠更斯卻持反對態度,在他看來光是一種類似於聲波、機械波的波,並由此解釋了光的反射、折射等現象。不過由於當時牛頓的威名比較大,因此最終以牛頓的“微粒説”成功告終。
直到英國物理學家托馬斯·楊氏通過雙縫實驗在觀察屏上發現了明暗交替的條紋,由此又開始了新的一輪爭議,再加上赫茲也進行了實驗,並且驗證了明光是一種波,當時許多物理學家對此沒有爭議。
而當時愛因斯坦再次又提出光是由粒子組成的,因為只有這樣,才能夠完全解釋光的反射和折射特性,而且根據光電效應實驗證明出光其實是由能量組成的,不過這些能量是以波的形式傳播的,他設想組成光的粒子是光子,推測當電子與物質中的光子碰撞時,它們會被後者的能量吸收並飛走,光子被擊中的頻率越高,飛行電子的能量就越大,雙縫實驗也證明了這一點。
直到法國德布羅意提出了波粒二象性的概念,眾多物理學家才達成統一,認為光既是粒子,也是一種波,並且還得出所有的微粒或電磁波都具有波粒二象性,粒子就是波,波就是粒子,兩者都是同一對象的兩個屬性。
根據眾多智者研究光最終得出了光的三個規律:
光在同種均勻介質中沿直線傳播。
兩束光在傳播過程中相遇時互不干擾,仍按各自途徑繼續傳播,當兩束光會聚同一點時,在該點上的光能量是簡單相加的。
光傳播途中遇到兩種不同介質的分界面時,一部分反射,一部分折射,反射光線遵循反射定律,折射光線則遵循折射定律。
真空中的光速是一個重要的物理常量 ,國際公認的值為 c=299792458米/秒 ,即3乘10的8次方米每秒,大約每秒30萬公里。光看這個數字我們體會不了光速有多快,打幾個比方來説,我們地球的直徑是12756公里,計算一下,那麼周長大約就是40000公里,而飛機是目前我們行駛最快的一種工具,坐飛機出國也是需要幾個小時甚至十幾個小時,而光速要圍繞整個地球轉一圈,只需要1/7秒;
還有地球到月球的距離,平均是38.4萬公里,坐上光速去旅行,僅僅需要1.28秒就可以到達月球,和嫦娥一起賞月;太陽是太陽系的中心,我們地球到太陽的距離大約為1.5億公里,如果是光速行駛的話,也才需要8分20秒我們就可以達到太陽了……
為什麼光速不可超越?根據愛因斯坦的相對論,應該把空間和時間一起對待,併合稱它們為時空,他還認為時空可以被彎曲或扭曲,而且還統一了質量和能量,認為質量和能量應該放在一起,這兩個是一個物體的兩面,質量裏有能量,能量裏有質量,由此提出了質能方程。
愛因斯坦根據質能方程E=mc^2 推導出了質量效應公式,在這個公式中,對於為什麼光速不能被超越就解釋得非常清楚,這個方程式中m是物體的質量,m0則是物體的靜質量,V為物質運動的速度,C為光速,當m0≠0,則m ∞,當速度越接近於光速時,其質量也就會越大,就會需要無窮的能量來推動,因此任何靜質量不為0的物質是很難達到光速的。
在宇宙中只有光子和膠子是靜止質量為0,理論上只有它們可以達到光速,當然這些主要是針對於物質、信息和能量而言,總的來説如果我們生存的宇宙是有限的,整個宇宙的能量都不夠,因此光速根本不可能被超越。
根據愛因斯坦的狹義相對論,光速不可超越,但宇宙之中的有些現象卻是與光速最快的論調相悖。宇宙膨脹速度
科學家們在發現宇宙不斷膨脹的現象之後,認為宇宙膨脹的速度超越了光速。在1927年,物理學家勒梅特從弗裏德曼方程中推導出了宇宙膨脹觀點,到了1929年,天文學家哈勃的發現有力證實了這一猜測,哈勃通過分析宇宙中星系的光譜,結果發現,河外星系的光譜只有極少表現出藍移,大都表現出紅移,根據多普勒效應,大部分星系正在遠離銀河系運動,提出了哈勃定律。根據哈勃定律(Vf = Hc x D),哈勃常數Hc=67.80±0.77(km/s)/Mpc,通過簡單計算可以發現,宇宙的膨脹導致的退行速度已經超越了光速。
量子糾纏現象
在科幻小説《三體》中就曾出現過使用量子糾纏進行超光速通訊的劇情,而量子糾纏也是一種非常奇怪的,無處不在的物理現象,它顛覆了常理。根據量子理論,如果AB兩個粒子互為糾纏狀態,那麼即使是把這兩個粒子放在相距幾百億光年的宇宙兩端,只要A做一個動作,B就會和A做相同的動作,反之亦然,這就是量子的糾纏效應,而量子糾纏裏所體現的速度就超越了光速,也是科學界著名的超光速現象之一。
總結人類的科技在近一百年以來發展迅速,我們的科學發展速度也一直在提高,在太空探索方面更是日新月異,我們對宇宙的認識也越來越多,但宇宙浩瀚無邊,儘管我們的科技能力一直在提高,但人類目前連太陽系都走不出去,而宇宙中也有好多神秘現象我們無法解答,雖然愛因斯坦在相對論中提出,宇宙中存在的光速是人類目前無法趕超的,但由於我們對宇宙的探索還是不夠深入,也許在未來的某一天,我們會有可能發現比光速要快的速度。