相对论光速可以超越吗(既然存在4种超光速现象)
在时空通讯发表的一些谈到光速限制和光速不变的文章评论中,常常有这样的质疑:既然光速不可超越,为什么宇宙膨胀又能够超过光速几倍呢?这不是自相矛盾吗?量子纠缠和虫洞穿越不都超过光速若干倍吗,还有理论上的曲速航行也是超光速的,这不是自相矛盾吗?
其实这是大家没有弄懂光速限制真正的含义,其他超光速的现象又是怎么一回事。如果弄清楚了就会觉得这里面一点矛盾都没有,而是顺理成章很合理的事情。下面我们就来分别讨论一下光速藩篱和上述4种超光速现象都是些啥玩意。首先我们要明白,爱因斯坦狭义相对论的核心内容就是论证光速限制和光速不变的理论,里面所涉及的光速限制本身也是有限制的,那就是有静止质量的物体。
光子没有静止质量,但有动质量。其属性就是光速,就是说生下来就以光速运动,不会停止,除非死亡(被吸收)。在真空中光速为299792458m/s,一般取值约30万公里/秒,是目前世界上认知的最快速度。
爱因斯坦相对论认为凡有静止质量的物体都无法达到光速,电子、质子质量虽然很小,也无法达到光速。
目前发现能够和光速并列或者可能并列的有引力波和中微子。引力波不是质量物质的传递,量子力学认为引力靠引力子传递,引力子是没有静质量的粒子,但未证实;中微子被认为是零质量或者接近零质量。这两个事物是光速运行还是无限接近光速运行还没有得到最后的证实。
有质量的物体不能达到光速是因为速度越大,动能越大,如果达到光速,其动质量就趋于无穷大,一个质子也会变得比宇宙质量还大,这就是一个悖论,是不可能实现的。同时,高速运动有尺缩钟慢效应,这个已经被无数事实所验证。
最通俗完美的检验就是GPS定位系统的相对论时间膨胀效应,如果不按照相对论理论修正调校卫星上的时间,就无法得到准确的导航定位。
根据尺缩钟慢效应,在相对速度越快的坐标系里,时间相对越慢,越趋近光速,尺缩钟慢效应越明显。当物质运动达到光速时,时间将会停滞,空间距离缩小为零。
这也是一个悖论,如果一个人在光速运动飞船里,他过了100亿年,到达任何地方,也没有感觉到时间流逝,0.00001秒也没感觉到,而空间没有了。这难道不也是一个悖论?
问题是这些悖论不是想象出来的,而是经过繁复的数理逻辑论证出来的,这个论证100年来无人能够推翻。
至于那些论证过程和公式这里就不一一照搬了,有兴趣的朋友可以翻看相对论或者搜一搜资料,到处都有。
这就是有静止质量物体无法达到光速的依据。那么为什么这个世界上又有或者可能有超光速的现象呢?这与光速藩篱矛盾吗?
我们就来分析一下这些沸沸扬扬的超光速现象。归纳一下,主要有宇宙膨胀、量子纠缠、虫洞穿越、曲速航行。前两个现象是已经被观测证实或者还在进一步论证中的现象,后两个虽然有理论但尚无任何观测实验证据,还处于科幻以及理论探讨阶段。
我们一个一个来探讨。
首先说说宇宙膨胀。这个现象已经是被观测所证实的,目前宇宙膨胀的整体速度远远大于光速。
请注意,这里所说的超光速膨胀是在宇宙大尺度下的整体膨胀速度,而且是时空本身的膨胀,不是每一个星系相互离开的速度,也不是星系物质的运行速度。
我们人类、地球、太阳、银河系等这些宇宙万物,都是镶嵌在宇宙时空中的事物,时空膨胀扩大了,这些事物相互的距离拉开了,但这些事物(物质)本身并非靠自己的动能移动,所以宇宙膨胀当然不受相对论光速藩篱的限制。
就像我们在一栋大房子里,房子本身就是时空(请想象这个时空没有墙体屋顶等实际物质),这个房子自己长大了,就像你手机中的一幅画,你用手指触摸把它扩大了,里面的人和物距离也分开了,这些人是以光速移动了吗?没有,这些事物依然按照自己的活动方式在活动,与房屋本身扩张无关。
其实宇宙膨胀在小尺度下,速度并不快。宇宙膨胀整体速度计算依据是哈伯常数。
哈伯常数是通过观测计算出来的不同距离星系离开我们的速度。我们宇宙的膨胀是均匀的、各向同性、与距离成正比,因此监测了几个点,就知道整个宇宙整体膨胀的状态。
这个意思就是说宇宙膨胀大尺度上是均匀扩张的,就像一个气球越吹越大,上面的花纹点点相互均匀分开,从任何一个点观察(地球上下左右观测),各个方向都是以同样速度远离我们而去,而且是越近越慢,越远越快。
事实上,距离相近的星系不但看不出宇宙膨胀速度,由于主要受到引力相互作用影响,大多数星系还是在相互靠近合并中。比如距离我们250万光年之远的仙女座星系,就在以时速百万公里的速度向我们靠近,在30~40亿年后,银河系将和仙女座星系碰撞合并成一个椭圆星系。
但整体上宇宙是在膨胀的,这个从哈勃红移和哈伯常数可以得出。根据2013年欧州航天局通过普朗克卫星测量计算,得出的哈伯常数为67.80±0.77(km/s)/Mpc。
Mpc是百万秒差距单位,一个秒差距约3.26光年,这个意思就是在距我们326万光年的地方,星系离开我们的速度为67.8公里每秒,正负误差为0.77公里。
根据各项同性、均匀膨胀、膨胀速度与距离成正比的规律计算,我们可观测宇宙半径为465亿光年,是326万光年的14263.8倍,距离我们最远的那个地方的远行速度就达到了96.7万公里/秒,因此得出宇宙整体空间膨胀叠加速度超过了光速的3.22倍。
近年来测得的哈勃常数超过了70公里/Mpc,膨胀叠加速度就更快了。
我们再反算距离很近的宇宙膨胀速度,根据距离我们越近速度平均递减的规律,在距我们1光年的地方,宇宙膨胀的速度就只有每秒2.08厘米。
前面已经说了,在宇宙近距离尺度,天体运行主要受万有引力约束,所以相互之间靠近还是远离,主要是周边天体引力场的影响。因此在近距离小尺度短时间宇宙空间膨胀没有意义。
宇宙膨胀不受不光速藩篱限制就说到这里,下面我们来说说量子纠缠。这个玩意是个很神秘的东西,其运行机制还在探讨和深究中,目前还没有人能说清量子纠缠的传递机制是如何进行的。
量子纠缠描述的是在量子力学中,当几个粒子彼此相互作用后,就拥有了整体特性,就无法单独描述各个粒子的性质,这是一种纯粹发生在量子世界的现象,在经典力学中找不到类似现象。
这种拥有了整体特性的量子就是纠缠态的量子,叫量子纠结或者量子纠缠。由于粒子这种整体不可分的特性,如果把一对已经处于纠缠态的粒子人为分开,把其中一个送到很远的地方,比如送到冥王星,它们的这种纠缠性质不会改变。
根据量子的不确定性原理,观测会使量子运行发生变化。如果地球上有人观测了这个留下的粒子,这个粒子就会发生某种运行的变化,而冥王星上那个处于纠缠态的粒子也同时会发生同样或相反的变化。
地球距离冥王星约20000光秒,也就是说光速要走20000秒,而这个纠缠变化瞬间完成,超过了光速多少倍?这就是量子纠缠超光速的由来。但提请大家注意,这个被送走的粒子可是要慢慢送过去的。现在宇宙飞船每秒才十几公里,飞到冥王星要将近10年。而且这种纠缠态无法携带信息,也不是具有静质量的物质传递,因此不受光速藩篱限制。
即使量子纠缠能够传递某种信息,但首先也得把纠缠中的粒子送往目的地,凭目前人类航天技术,用无人探测器送达到1光年的地方,也要17000多年,用它来解决光年级信息传递还只能是个梦幻。
虫洞是爱因斯坦引力场方程的一个解,也就是说从引力场方程必然会推导出宇宙中存在这这样的现象。虫洞又叫爱因斯坦~罗森桥,也叫时空隧道。
从引力场方程中推导出的解有不少,比如黑洞、引力透镜这些预言都已经被证实了,可这个虫洞到现在并没有被发现和证实。
实际上虫洞就是时空漩涡或者时空陷阱中间形成的一个孔洞。根据广义相对论,在宇宙中天体会导致周围时空弯曲,尤其是大质量天体,如黑洞、星系、类星体等等,会极端扭曲周边时空,这些扭曲的时空会相互发生碰撞和交合,就会在时空出现各种各样的漩涡和陷阱,就很可能形成时空隧道。
这有点像激流中的漩涡,漩涡中心有一个孔洞。有的漩涡孔洞会连接一条更远的河流或者远方一片水域。也像汽车火车穿越大山或海底隧道,省却了绕弯爬坡的时间。时空隧道也是这样,这个隧道会连接两个相距若干光年的时空,如果从中间穿过,就会迅速到达另一个正常航行永远也无法达到的时空。
这样就有可能只要数秒钟或者数小时或者几天,就可以穿越到若干光年远的地方。从某种意义上来说,是超光速了,但实际上,我们乘坐的飞船速度并没有加快,该怎么走还是怎么走,只不过是抄了近道,减少了用时而已,因此与光速藩篱毫无关系。
这个虫洞的梦向还只是存在于科幻中,有没有还是个未知数,即使真的发现了,要真正的利用也还有许多困难。比如虫洞的稳定问题,通向何方的问题都是难点,这里就不做赘述。
我们再来看看曲速航行是怎么回事。其实这个与虫洞有些相似,也是利用时空弯曲的效应来提升移动速度的。
我们可以把时空想象成一张纸,一只蚂蚁要爬到这张纸的背面去,要爬很久。但如果在纸的中间穿一个洞,一下子就过去了,这种方法是利用虫洞穿越;
而曲率航行是把这张纸折叠提来,在这张折叠成像合拢的折扇一样的时空中跨越。把扇子打开,蚂蚁从这头爬到那头要很久,但把扇子折叠起来,一下子就爬过去了。请注意,时空不像扇子有纸张和扇骨的厚度,而是可以折成薄薄一片。
这种设想从理论上是可行的,关键是要有一个能够扭曲时空的曲速引擎。但在引力场论中,扭曲时空是需要巨大质量和能量的,一个地球能扭曲时空多少?一颗太阳能扭曲时空多少?所以如何克服这些问题,是一个令科学家们头疼的事情。
不过有科学家信心满满,NASA已经编制了一份详尽的计划方案,并且进入了开发实验阶段。何时能够把科幻变成现实,还需耐心等待。
这种运行方式也与光速藩篱无关,因为这种通过时空曲率的航行有点像跳跃,从时空的鸿沟上跨过去,飞船本身速度并不高,坐在里面的人也不会发生时间膨胀效应。
这就是我们常说的几种超光速想象,不知道大家是否明白了,这些超光速现象都与光速限制没有什么关系,因此这几种超光速现象与相对论光速限制理论没有矛盾。
就是这样,欢迎讨论。
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