您当前的位置: 首页 >  博客资讯

宇宙极限速度为什么是299792458米/秒?

我们都知道宇宙极限速度是每秒2亿9千9百7十9万2千4百5十8米,这个速度是宇宙中任何形式的能量所能达到的最高速度。我们测量出来的引力波是这个速度,光在真空中也是这个速度,理论上胶子也应该是这个速度!可以看出这个速度并不是光的专利,而是所有无质量粒子生下来都可以达到这个速度!

但是组成我们现实世界的这些粒子,包括质子、中子和电子,无论我们如何努力,都没有办法把它们加速到光速。原因很简单,因为它们有质量。

这是狭义相对论告诉我们的原因,那为什么有质量的物体就不能达到甚至超过光速呢?狭义相对论就说,随着质量物体越逼近光速,它的相对论质量就会趋于无穷大,所以我们不能把有质量的物体加速到光速。

这样的解释好像啥也没说,更像是进一步地强调了光速极限,并没有说不能超光速的本质原因。所以说,不能超光速的本质原因,我们现在并不知道。

因此质量物体的光速极限,在物理学中它算得上是一个基本原理,基本原理也可以认为是公理,没有办法证明,也不需要证明,意思就是说,我们的世界就是这个样子的。

是不是觉得有点不讲道理,其实并不是的,这就是人类科学发展的一般方法,叫公理体系。目前来说,光速极限符合我们的逻辑要求,也符合我们观测实证,所以我们可以认为它是一个不需要证明的公理。

但是你完全可以假设光速极限的公理是错误的,然后在你假设的这条新公理的基础上进行逻辑演绎,然后得出一系列定理,如果你的整个理论体系完美自洽,而且符合观测实证,那就说明在某种情况下,质量物体是可以超光速的。

这就像是当年罗巴切夫斯基,他就觉得欧氏几何中的第五条公理,平行线公理有问题,他就假设在一平面内,过直线外一点,可作至少两条直线跟已知直线平行。

然后根据这个新公理,就推导出了一系列逻辑自洽的定理,发现它们并不矛盾,这就是双曲几何,或者叫马鞍面几何。

不过,你要是假设光速极限是错误的,那这条路它肯定走不通,只要你假设质量物体或者是信息可以超过光速,你肯定会遇到逻辑上的困难。

因为超光速它违背了因果律,因果律是我们现实世界最底层的构架,如果没有因果律,你会看到导弹先爆炸,然后才发射,目标先中弹、然后才开枪,等等这些逻辑混乱的事情。

当年爱因斯坦正是因为考虑到了一点,才会坚持光速极限这个原理,进而在狭义相对论中利用质速公式限制了质量物体超光速的可能,而且他的狭义相对论本身就是强调因果律的一个理论。

我们都知道,在1935年的时候,爱因斯坦还利用光速极限原理弄了一个EPR悖论,来攻击量子力学,说量子力学还不完备。爱因斯坦当时就认为,你量子力学就算违反了现实的决定性,总不能超光速,总不能违背因果律吧,可没想到量子力学还真就超光速了,这里的超光速就是我们说的量子纠缠。

量子纠缠目前对我们来说完全就是一个迷,我们不知是什么东西在纠缠,为什么会纠缠,纠缠背后的机制是什么?完全不知道,但目前认为这种纠缠,因为量子的随机性不能传递任何有用的信息,所以它不违反光速极限原理,当然也就不违反因果律了。

其实以上就是目前对光速极限原理最好的理解了。但是我知道有些人并不满意这样的解释,那就看一下下面这个,它可是实实在在的限制粒子所能携带的能量,这也算上是宇宙对速度的一个限制。再说这个之前,我们先回顾一下人类的速度极限。

在大型强子对撞机中,质子的速度达到了每秒2亿9千9百7十9万2千4百5十5米,这是人类创造出来的速度最快的质子了。但这并不是人类的速度极限。

有一个粒子它比质子轻了 1836倍,所以加速它来说比质子就要容易得多了,这就是电子,在LEP中,也就是LHC的前身,当年人类把电子加速到了每秒2亿9千9百7十9万2千4百5十7.9964米,只比真空中的光慢了3.6毫米/秒。

可以说差一点就达到光速了,人类可真是牛呀,那这一点差在了哪?当然是能量,在地球上我们用的是化学能源,加速器的能量在Gev级别,这个G叫吉,是10?,也叫十亿电子伏特。

那么在宇宙中也有很多自然形成的加速器,比如大质量黑洞的物质喷流,超新星爆发、中子星碰撞等等这些超高能量的爆发事件,它们都会产生大量的宇宙射线,这些宇宙射线基本上都是有质子组成的。那么跟这些自然界的加速器比起来,人们建造的LHC简直就像是学龄前儿童的的玩具一样。

现在我们看到的是M87星系中心黑洞的物质喷流,那里的磁场是人类创造的磁场强度的数十亿倍。

它们加速粒子的最高能量就不能用Gev来表示了,而是会用到 Tev,叫太电子伏特也就是10^12 ev,甚至会用到Pev,叫拍电子伏特来衡量,也就是 10^15 ev,甚至会一路飙升到10^19 ev以上!

你想一下,我们在地球的Gev,10?都把质子快加速到了光速了,那么宇宙中的10^19 ev,还不把质子直接送上天。

但是,根据我们在地球上的接受到的宇宙射线来看,所有质子的能量好像有一个阈值,它们携带的能量都没有超过5×10^19 eV。

好像有什么东西限制了质子的能量。也就是说宇宙不让质子的能量超过这个能量,那能量不能提高,那速度肯定就上不去了。

最后我们给出一个解释是这样的,在宇宙的空间中弥散着大量的光子,这些光子的平均温度只有2.7开,那每个光子能量也就只有大约0.00023电子伏特,这个能量很小很小,这就是宇宙的微波背景。

虽然它的能量很小,但是当一些携带巨大能量的带电粒子,在宇宙空间中穿梭的时候,它就会与这些光子发生相互作用,产生一些新的粒子。

比如说,当一个带电子粒子能量达到了10^17ev以上,就会在与微波背景光子的碰撞中产生正负电子对,然后损失能量,由于电子质量比较低,所以这个能量损失过程比较慢。

但是当一个带电子粒子能量达到了5×10^19 eV以上的话,就会产生中性π介子,一个中性π介子的质量是电子的264.1129倍,所以每一个中性π介子的产生就会损耗掉135Mev的能量,Mev是百万电子伏特,10?。

这个能量损失的速度就比较快了,所以当一个带电粒子的能量高过了5×10^19 eV,宇宙就会迅速让他降到这个能量以下,所以我们在地球上发现的宇宙射线能量都没有超过这个值。

这个阈值就是所谓的带电粒子的GZK极限。那么这个极限对于质子的速度就意味着,它可以达到每秒2亿9千9百7十9万2千4百5十7.99999999999999999999918米。

这个速度可以说跟光速已经没有啥区别了,如果我们现在让这样的质子和光子赛跑,去比邻星的话,质子仅仅会落后22微米,700飞秒后它就会达到.

如果让它俩去254万光年外的仙女座星系,打个来回,距离大约是500万光年,质子大约会慢13秒左右。可以说,这样的质子已经跟光子跑得差不多快了。

所以根据GZK极限,在一个充满微波背景光子的宇宙中,我们是不可能达到光速的,因为我们是由质子、中子和电子组成的,而且超光速旅行也很危险,你想一下,当我们与微波背景中的光子发生相互作用的时候,宇宙在我们看来就是一个大烤箱。我们就是鸡翅。

如果你接受不了把因果律作为光速极限的原因,那可以把GZK极限当作一个很好的解释。