這些速度都比光速快!但為什麼不違背相對論?

2020-12-12 科學認識論

學過物理學的同學們,心中都有一種默認的「真理」:那就是宇宙的速度極限是光速,沒有任何速度可以超光速!前有麥克斯韋的方程組暗示著光速不變,中間有邁克耳遜莫雷實驗給予的實驗支持,最後有愛因斯坦的狹義相對論提供的理論驗證。可以說,在現代人的心中光速不變是亙古規律,光速極限也是永恆概念!

筆者做了這麼多年科普,自然明白光速極限在讀者心中難以撼動的地位。但我深知,讀者對光速還有很多誤解。光速不變必須要加一個限定詞才能嚴格成立!

高速影像下的光速

這就是:物質的運動速度極限是真空中的光速。(下文中的光速就代表著真空中的光速)

這就暗示:

有靜止質量的物體運動小於光速。能量和信息的傳遞不可突破光速。

這很好理解,相對論中的光速只是限定了客觀物質現象的速度極限,不包括非物質自然現象的速度極限!

非物質的自然現象也有速度的概念。比如量子糾纏,其雖遠超光速,但不可以傳遞信息和能量,固不違背相對論!

宇宙前期的加速膨脹是空間膨脹,不牽扯物質運動,顯然這種超光速不違背相對論!

電磁波的相速度也是超光速現象。光速就相當於電鑽頭前進的速度,而相速度相對於電鑽頭旋轉的速度。相速度超過光速只是一種非物質的速度現象,固然不可傳遞信息。所以也不違背相對論!

還有一種速度是這樣的。如果我把一雙手套隨機放到兩個相同的盒子裡。不打開盒子,我是不知道左手套在其中哪一個盒子中。如果我把一個盒子放在地球上,另一個盒子帶到火星。當我打開地球上的盒子,發現為右手套。那我同時就知道遠在火星上的盒子為左手套。其實這也是一種速度概念,顯然這個例子的中人對火星上盒子「內部信息」的解讀速度是超光速的。但並不違背相對論。

我們知道,狹義相對論的時間膨脹,質速關係,和長度收縮公式是建立在洛倫茲變換的基礎上的。

這三大公式分別度量了物質在不同慣性系之間的轉換。分別度量了最基本的三個物理量:時間,空間和質量。

為什麼我一定要說信息和能量的傳遞不能超過光速?

首先你要仔細的想,什麼是信息?什麼是能量?

聲波可載信息,光波(電磁波)亦可載信息!聲波是物質震動的規律性傳導,所以必須有物質充當其介質!光波之所以可以在真空中傳遞信息,是因為光波中就有光子這樣的傳播子。人類可以把信息刻錄在光子的運動頻率中。

而能量就是物質運動的一種轉換而已。比如太陽每天射向地球無數個光子,這些光子和空氣分子撞擊,被吸收。導致空氣分子運動劇烈程度提高,進而體現出溫度升高,這就是能量的傳遞!我們很容易得出:所有的信息和能量傳遞必須有物質的參與!

而我們都知道,狹義相對論意味著:物質運動的越快,其質量越大,其維持加速運動的能量就得越大,有靜止質量的物體即便用上全宇宙的能量都不可能加速到299792458... m/s。靜止質量為0的光子只能以光速運動,這是自然事實,不要問為什麼?大家這時候就要好好想一想,既然人家沒有靜止質量的光子頂多才能以299792458... m/s的速度前進。而有靜止質量的其他物質,其越加速質量越大,達到光速前,肯定會大於光子的運動質量,那麼你再怎麼加速都不可以超過光速了!

因為光子就是物質,它的速度就是光速,而只有物質才可以傳遞信息和能量,所以信息和能量的傳遞不可以超過光速!

相關焦點

  • 為什麼量子糾纏超越光速至少10000倍!但卻不違背相對論?
    為什麼量子糾纏超越光速至少10000倍!但卻不違背相對論?愛因斯坦的狹義相對論指出,光速是不可超越的,也就是說,光速是宇宙中最快的速度,但是為什麼量子糾纏超光速至少10000倍但卻並不違背相對論呢?狹義相對論的速度極限僅指物質的運動。如果某種速度現象不是物質的運動,沒有相對論的約束,有可能超過光速嗎?答案是肯定的,只要不是物質運動的速度,相對論就不會產生約束。到目前為止,還沒有科學家得出量子糾纏超過光速的絕對結論,但它得到了許多權威人士的支持。瑞士科學家最近表示,他們已經在實驗中證明,糾纏亞原子粒子之間的信號傳輸速度遠遠快於光速,達到光速的一萬倍。
  • 書上說超光速的現象不存在,為什麼宇宙膨脹的速度卻比光速快?
    引言:雖然太陽距離地球有著一個天文單位那麼遠的距離,但是太陽光從太陽發射出去後只需要大約八分鐘就能夠照射在地球上,可見光速之快。相對論中指出了任何物質的速度都不可能超過光速,但科學家們發現宇宙膨脹的速度遠比光速快,這是為什麼呢?
  • 量子糾纏突破人類想像,超越相對論對光速的限制,卻並不違背
    狹義相對論:光速是不能被超越的,量子物理就打破了這種局限!愛因斯坦的著名的狹義相對論,用科學的方法解釋了光速的定義,同時也定義了物體的速度是不可能超過光速的,顯然量子物理學就打破了這種界限,因為量子糾纏獨有的特性,無論距離多遠,一對量子只要一方有變化,那麼另一個一定會做出相應的變化,這個反應速度要遠遠的大於光速。難道狹義相對論是錯誤的?
  • 為什麼光速是宇宙最快速度?超光速會有什麼後果?
    光速非常快,以至於人類曾經認為光速快到無限。但通過木衛一星蝕的天文現象,人類首次確認光速是有限的。此後,隨著實驗精度的不斷提高,人類測出的光速也變得越來越精確,大小將近每秒30萬公裡。最終,人類乾脆把光速定義為299792458米/秒。
  • 量子糾纏速度比光速快萬倍違反了相對論嗎?
    常有人拿量子糾纏速度說事,隔段時間還要弄出一個某科學家已經證實量子糾纏速度超過光速萬倍云云,其實這都是扯淡,是對量子糾纏完全不知道咋回事的炒作,是認識的一個誤區。量子糾纏沒有速度,是一種現象和微觀世界粒子的固有特性。
  • 光速憑什麼是最快的?揭秘相對論裡幾個大家都理解不了的事實!
    光速是最快的!相信很多人或多或少都知道,但是你知道人類是如何得知光速最快這個結果的麼?這就要追溯到一個科學史上一個美麗的錯誤!當時麥可遜用幹涉儀來證明「以太」存在的實驗中發現了光速不變。
  • 為什麼愛因斯坦狹義相對論中的光速不能被超越?
    在宇宙中,物體(能傳遞信息)最快的速度是光速,而且物體速度在光速的情況下,會發生很多神奇的事情,比如物體的速度達到光速,時間就會停止,按照狹義相對論的說法,任何有質量的物體都無法達到光速,只能逼近光速,更是不可能超光速。那麼速度的上限就是光速了嗎?
  • 為什麼引力速度必須等於光速?
    引力速度等於光速首先是來自廣義相對論的推論,然後經過了大量的觀測證實,而確立起來的一個宇宙基本規律。引力傳播的速度不像是光速那樣,可以通過隨處可見的可見光去測量,由於引力看不見也摸不著,並且十分微弱,所測量起來十分困難。
  • 我們都在說「速度是相對的」,但為什麼光速是絕對的?
    換一種方式來表達,定義速度絕不能脫離參考系,否則就會失去物理意義;同時,世間萬物都可以當做參考系來定義某個物體的速度。這一頓悟使人類對速度的理解獲得了質的飛躍,人類藉此明白了宇宙中不存在絕對的靜止或運動,一切速度都是相對的。無論速度為0亦或是100米/秒,都只針對某些特定的參照物成立,換成別的參照物時就不一定成立了。如今我們把這套理論稱之為「相對性原理」。
  • 光速並非宇宙最快速度,五個「超光速」現象,你知道幾個?
    提到宇宙中最快的速度,相信大家都會第一時間想到光速。沒錯,我們從小到大的書本中一直告訴我們,光速是宇宙中最快的速度,以至於宇宙中的距離尺度都採用光速作為單位。最主要的是「光速恆定」和「光速無法超越」經過多年的推論和驗證早已被公認為正確的理論。
  • 相對論+超光速→量子力學?
    狹義相對論時空可以允許超光速參考系的存在嗎?在超光速觀者的視角中因果關聯會產生怎麼的變化?這些因果關聯的變化又與量子理論中的概率詮釋有什麼瓜葛?量子力學中那些沒來由的隨機塌縮、鬼魅般的超距糾纏、令人費解的多路徑傳播……種種怪異表現,無一不是對確定性因果關聯這一物理學律令的乖張挑釁。
  • 深層分析愛因斯坦的狹義相對論,為什麼物體的速度越快時間就越慢?
    時間的本質人類到目前為止仍舊沒有給出最終完美的答案,但這並不妨礙我們去感受時間,而愛因斯坦的狹義相對論幫助我們更好的理解時間。很多人或許覺得愛因斯坦的狹義相對論對時間的描述比較抽象,難以理解。下面就具體地描述下狹義相對論定義下的時間概念。在這之前,需要明白一個重要的概念,那就是「光速恆定」。
  • 量子糾纏速度可超過光速的1萬倍,這與相對論不矛盾嗎?
    這個聽上去是不是覺得不可思議,就連包括偉大的科學家愛因斯坦都是這種感覺,於是愛因斯坦、波多爾斯基、羅森3位大佬,根據量子力學所描述的理論原則提出了EPR佯謬的觀點,主要依據是宇宙的速度上限是光速,任何物質,包括信息的傳遞都不可能大於光速,像量子糾纏的這種「鬼魅般」的超距作用的產生,是由於之前作為整體存在的粒子,在分裂的瞬間,其產生的兩個粒子的運動狀態(自旋)其實都已經確定了下來
  • 以接近光速相向或背向而行的兩物體為什麼相對速度不是兩倍光速?
    那種速度超級快,引力超級大的世界,在牛頓的年代,人類還沒有能力去觀測到。所以,牛頓總結的這一套理論,說白了,我們可以叫做人類生活中的物理學,因此它很符合我們對於世界的看法,我們也會用得自然而然。最明顯的例子就是「速度疊加」,假設一個小人在車上以5m/s的速度沿著車子運動的方向運動,而車子的速度是10m/s,這時候如果問,如果有個地面觀察者,那麼在他的眼裡,車上的人的速度是多少?
  • 相對論說光速不變,那如何解釋光在介質中速度變慢呢?
    這個問題其實是對相對論光速不變原理不了解,從而產生的疑惑!光速不變原理光速不變原理是指真空中的光速對任何觀察者來說都是相同的。相對論中是不允許有質量的物質運動速度超過光速,如果達到光速,質量便會加到無窮大,所以相對論不讓攜帶質量和信息的物質超光速。因此超光速不是不被允許,只要不攜帶信息和質量就可以。所以量子糾纏和宇宙膨脹都沒有違反相對論。真空中最快,為3*10^8米/秒. 其餘介質都比在真空中慢,最接近的是空氣,約為2.996*10^8米/秒。
  • 量子糾纏最小的速度都超光速,是否違背相對論嗎?
    相對論發表已經100多年了,自始至終都牢牢佔據了物理學半壁江山,與相對論相關的研究更是斬獲了大量諾貝爾物理學獎。在愛因斯坦那個年代,無論是星系光線的偏轉,水星近日點進動,還是質能方程與原子彈都一次次證明了相對論,這是背景!
  • 速度越快質量越大,相對論質量是否造成平行空間?(踏雪哥猜想)
    其靜止質量為零,不帶電荷,其能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積,E=hv,在真空中以光速c運行,其自旋為1,是玻色子。而所謂速度越快質量越大其實是物質吸收能量並收集運動軌跡上的暗物質和暗能量聚合成物質,所以質量變大了。速度越大,運動物體的質量就越大。當物體的運動速度趨近於光速,物體的運動質量就會趨近於無窮大,所以有任何物體的速度不可能超過光速的說法,但也有可能是隨著物體速度的增加,相對論的公式就不再適用了。
  • 光速,宇宙的極限速度,那為什麼它會如此之快呢?
    這並不是一個完整的答案,當我們使用m/s或者是m/h這些標準單位來度量光速時,光速依然是非常高的,這些標準單位起源於古代的計時和測量距離的方法。幾乎不出意外的來說,一秒大約是心跳一下的平均時間,一米或一碼是一個人邁一步的距離。圖解:洛倫茲因子γ作為速率v的函數。
  • 聽說一切物體在時空中的速度都是光速c?
    相信很多人都聽過這樣一句逼格很高的話:在相對論裡,一切物體在時空中的速度都是光速c。 有些人還會把「在時空中」這個定語給省略掉,就留下一句「一切物體都以光速運行」,把讀者的三觀震碎。
  • 黑洞中心伽瑪射線爆發速度超過光速?科學家表示可以用相對論解釋
    如果相對論射流中產生伽馬射線爆發的波的傳播比光速快,則影響之一可能是時間可逆性。這樣的超速波實際上是可能的。我們知道,當光通過介質(例如氣體或等離子體)傳播時,其相速度要比 c 慢一些(c是真空中的光速,而據我們所知,這是宇宙的極限速度)。因此,波可以以超光速穿過伽馬射線爆發射流,而不會破壞相對論。