相信大家都知道愛因斯坦的相對論,或許你不是很了解,但起碼聽說過。相對論又分為狹義相對論和廣義相對論,其中狹義相對論中有一個重要核心就是“光速限制”,簡單說就是“光速是宇宙速度極限”。

光速的這種特性也意味著因果關(guān)系的存在,我們的現(xiàn)實世界存在因果性,說白了結(jié)果一定是在原因之后發(fā)生,這也是大自然的一個基本法則。
這個很容易理解,舉個簡單的例子,你打自己一記耳光,然后才會感覺到疼。不可能出現(xiàn)下面這種情況:你先感覺到臉疼,然后自己打自己一耳光。
不過相對論中的“光速限制”并不是絕對的,說具體點:大自然中任何具有靜質(zhì)量的物體,或者任何攜帶信息能量的物體都不可能超光速。
速度極限光速大約每秒30萬公里(準確值299,792,458米/秒),宇宙萬事萬物,不管是我們每天看到的宏觀物體,還是非常微小的微觀粒子,比如說電子,質(zhì)子,中子等都不能以光速飛行,只能無限接近光速。
為何不能達到光速?
狹義相對論表明,物體速度越大質(zhì)量就越大(更嚴謹?shù)恼f法是動能更大),如果物體無限接近光速,動能就變得無限大。而能量與質(zhì)量其實是等效的,能量和質(zhì)量只是物體表現(xiàn)出來的兩面性而已。
如果想要一個物體達到光速,意味著需要無限多的能量,整個宇宙的能量都不夠,這顯然是不可能的。
人類目前創(chuàng)造的最快速度已經(jīng)非常非常接近光速了,在大型粒子對撞機中可以把微觀粒子的速度加速到299,792,455米/秒,達到了光速的99.999999%!與光速只差了一點點。
但不要小瞧這一點點,不要認為“我們加把勁”就能達到甚至超越光速了,這“一點點”就是永遠不能逾越的鴻溝。不要說渺小的人類了,就是最恐怖的黑洞,也無法把物體的速度加速到光速。

但狹義相對論中的“光速限值”只是限值有靜質(zhì)量的物體,這意味著如果沒有靜質(zhì)量,可以達到光速,準確地說“沒有靜質(zhì)量的物體必須以光速飛行”。
比如說引力子(目前還是假設(shè)概念),膠子,光子等天生就以光速飛行,沒有任何加速過程。

愛因斯坦的狹義相對論體現(xiàn)了光速限值,其實自然界本身必須有光速限值,因為自然界中有我們熟悉的因果律,如果一個物體超光速飛行,因果律將被打破,整個宇宙就徹底陷入混亂,甚至會分崩離析。
舉個例子,如果可以超光速,你用獵槍射殺獵物,子彈的速度超光速,你會看到獵物先倒下,然后你才會扣動扳機,因果律完全被打破了,現(xiàn)實世界徹底亂套,讓人捉摸不定。
再到這個世界的現(xiàn)實本質(zhì),這個世界是由物質(zhì)組成的,而物質(zhì)是靠基本的作用力電磁力,強力,引力組合在一起的,而這三種基本作用力又是靠光子,膠子,引力子傳遞作用力的。如果物體的速度超越光速,意味著以上三種力根本追不上物體本身,怎么可能把物質(zhì)粘合在一起呢?
沒有物質(zhì),又哪來的宇宙呢?
不過話說回來,“光速限值”并不是絕對的,是有前提的,這個前提就是“任何具有靜質(zhì)量,攜帶信息和能量的物質(zhì)都無法超越光速”,這意味著大自然并沒有徹底關(guān)閉“超光速”的大門,還給我們“開了一扇窗”去盡情地超光速。以下就是幾種超光速現(xiàn)象,而且是遠超光速。
在某種介質(zhì)中超光速
光速每秒299,792,458米/秒是真空中的速度,其實現(xiàn)實中光速是達不到這個速度的,因為大自然中充滿了各種介質(zhì),而光在介質(zhì)中的傳播速度總是小于光速,傳播速度為c/n,其中c是光速,n是介質(zhì)折射率,n總會大于1。事實上多數(shù)時候,介質(zhì)中的光速遠小于真空中的光速。比如說光在水中的速度只有0.75c。
利用光的這種特性,我們就可以在某種介質(zhì)中“超越光速”(當時不是真空中的光速,而是介質(zhì)中的光速),達到“光障”效果。科學家也確實做到了。

一個物體可以在比介質(zhì)中的光更快的速度穿越介質(zhì),產(chǎn)生光光激波(光障),這種光波被稱為“切倫科夫輻射”(怪異的藍光)。物體必須在密度比較大的介質(zhì)中快速移動,光障效果才可以被我們的肉眼看到。比如說,核反應(yīng)堆以非常高的速度噴出電子,高速電子穿越冷卻水的速度就比水中的光速還要快,就會產(chǎn)生錐形激波。
宇宙大爆炸時的暴漲速度

長期以來,科學家認為宇宙起源于一次大爆炸,一個體積無限小質(zhì)量密度無限大的奇點是一切的開端,一切都是從零開始的。不過暴漲理論出現(xiàn)之后,大爆炸理論似乎有點過時了。
該理論認為,時間并不是從奇點的突然膨脹開始的,而是從10^-41秒開始的,這個時候宇宙已經(jīng)存在,大小大約為一個天文單位(1.5億公里)。

當時的宇宙不存在任何物質(zhì),只有真空能,真空能促使宇宙以指數(shù)級膨脹,然后暴漲在10^-36秒瞬間結(jié)束,非常短暫。
此后真空能衰變成為物質(zhì),包括我們?nèi)缃袼幕玖W雍头戳W印H缓箝_始迅速膨脹。
膨脹的速度有多快?一秒之內(nèi)就膨脹到了一光年大小了,一年之后大約就有現(xiàn)在銀河系的大小了,想象一下這個速度,光速在此速度面前不值得一提!即便是138億年后的今天,宇宙膨脹的速度仍舊遠超光速,不但如此,宇宙膨脹速度一直在加速,宇宙空間每增加1百萬光年的距離,膨脹速度就會增加20公里每秒,這就像我們吹氣球一樣,氣球上兩個點的距離會越來越遠,而且相互遠離的速度會越來越快。

空間膨脹速度遠超光速并不違反相對論,空間中的物體只是跟著空間在運動,彼此之間并沒有傳遞信息。

詭異的量子糾纏

相信很多人都聽說過“量子糾纏現(xiàn)象”,它如此詭異,以至于被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”,也讓愛因斯坦十分頭疼,因為量子糾纏現(xiàn)象徹底顛覆了經(jīng)典物理,他認為我們的世界具有局域性(也就是不能超光速),而量子糾纏現(xiàn)象則屬于非局域性。
比如說,在量子世界里,發(fā)生耦合的兩個微觀粒子,不管它們相距多遠,哪怕在宇宙的兩端,只要我們測量其中一個微觀粒子的狀態(tài),如果說粒子的自旋向下,那么另一個粒子的自旋必定向上,看起來好像它們存在“心靈感應(yīng)”一樣,彼此之間能根據(jù)對方的狀態(tài)瞬間做出決定。
雖然量子糾纏現(xiàn)象非常詭異,但科學家確實驗證了這種現(xiàn)象的真實存在性。結(jié)果就是愛因斯坦錯了,但并不是說他的相對論錯了。
量子糾纏與相對論中的“光速限值”并不矛盾,量子糾纏中的兩個粒子并不能傳遞任何信息。因為當我們測量其中一個微觀粒子的狀態(tài)時,粒子表現(xiàn)出來的狀態(tài)其實都是隨機的,而且每一次測量都意味著量子糾纏的坍縮,也就是說一旦我們實施了測量之后,糾纏態(tài)馬上就會消失,粒子之間不再發(fā)生糾纏。
所以說,“光速不可超越”這種說法其實是不嚴謹?shù)模驗檫@種說法并不是絕對的,是有前提條件的。應(yīng)該說是任何信息的傳遞速度都無法超越光速(真空中的光速)。
這種非絕對性也算是大自然留給我們的“漏洞”,我們可以利用這個“漏洞”進行“超光速”旅行,比如說蟲洞和“曲速引擎”的概念,就是利用空間的彈性,折疊,甚至撕裂來瞬間跨越浩瀚星際距離。