為什麼信息與能量不能超越光速?愛因斯坦:超不了,會因果顛倒

2020-12-24 科學美少男

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如果我扣動扳機,一顆子彈沒有任何延遲,瞬間以兩倍光速飛向你,那麼你會先中彈,還是先看見我扣動扳機呢?答案:會先中彈後才看到我扣動扳機。

因果順序

眼睛對外界接收信息需要依靠光,晚上燈一關,光沒了,伸手不見五指,沒有信息來源。判斷先看到什麼,就是在判斷到底哪個信息先傳到你的眼中。這個問題中信息A:我扣動扳機,信息B:子彈擊中你。

正常情況下,子彈無法達到光速,因此A比B快,當A和B同時出發,A會先到達你眼中,也就是你看到我開槍了,然後你看到自己中彈了,這完全符合因果邏輯。

假如子彈速度為兩倍光速時,子彈(B)會先到達,此刻我扣動扳機的信息(A)正好在傳播的路程的中央,於是你會先看到子彈打中了你(B),隨後看到我動扳機(A),你不覺得這很詭異嗎?

子彈會飛出槍膛是因為我扣動了扳機,因此我們說A是因,B是果,然而當子彈的速度高於光速,AB顛倒了。

這樣的問題可以套用到生活中的任意一件事上,例如:你還沒有看到我出拳,先感覺到自己要飛出去了,博爾特還沒起跑,發令槍沒響,終點線的飄帶動了,等等。

為什麼會出現這樣的現象,因為我們的眼睛受限於光嗎?如果我們閉上眼睛,事情發生的順序是一樣的,與我們看與不看無關。

現實生活中無論如何都不會出現因果顛倒的問題,因為愛因斯坦認為光速是宇宙中信息、能量傳輸的最快速度,任何有質量的物體運動速度永遠無法達到光速。

光速不變

19世紀,麥克斯韋發表了《論電和磁》統一了電和磁,這是繼牛頓《自然哲學的數學原理》之後的物理界神作,使他站上了物理學的巔峰。被納入其中的「麥克斯韋方程組」描述了變化的電場會自發地形成磁場,變化的磁場會自發地形成電場,電與磁相輔相成,只要電或磁出現,它們就會生生不息的一直傳播下去。

在麥克斯韋方程中,電磁波波速與兩個常數的乘積相關,即波速也是常數,約等於每秒30萬公裡,光是一種電磁波,因此引出來了光速恆定不變,而它又讓愛因斯坦發現了更深層次的問題,於是發表《狹義相對論》,質能方程,《廣義相對論》。

狹義相對論

實際上,《狹義相對論》中的大部分公式的推導 最早來自於荷蘭物理學家洛倫茲,而愛因斯坦只是那個打破舊框架的人。

在研究電磁學時,洛倫茲發現電磁波的速度與伽利略變換存在衝突。簡單來說,小明以10m/s在馬路上向東走,小美站在馬路邊靜止不動,一束光由西射向東。正常情況下相較於小美,光在小明眼裡應該慢一點,因為他與光同向行駛,然而光速不變原理的結論是光相對於小美與小明速度是一樣的,因為它的速度是常數。

當時洛倫茲認為麥克斯韋不可能錯,從牛頓時代開始,主流物理學家就試圖通過假設存在一種介質(以太)來解釋光的現象,即光在以太中傳播,空間各處充斥著以太。

洛倫茲也是以太論的追隨者,然而理論的衝突讓他寢食難安,於是他基於光速不變性用微積分推導出了一套新的變換,試圖擬合電磁理論、以太論、伽利略變換。

洛倫茲變換描述了質量與速度的關係(質增效應);高速運動的貨車尺寸會比靜止時短(尺縮效應);在靜止的人看來,高速運動的時鐘,會比自己的時鐘走得慢(時間膨脹效應)。論文剛一發表,臺下的人全懵了。洛倫茲回答,他自己推導出來時也懵,他也不知道本質是什麼,但是麥可遜莫雷實驗本以尋找以太為宗旨,最後反而發現「光不會順勢而增加,也不會逆勢而減少」,而它的變換就是基於光的這個特性。

最終愛因斯坦捅破了這層從牛頓經典物理開始禁錮了200多年的窗戶紙,直接說:光速是恆定的,光可以在真空中傳播不需要依靠任何介質,結果就是洛倫茲變換得到的結論。

質增效應

根據《狹義相對論》中的質速方程,我們可以得到以下速度曲線圖,從中可以發現靜止質量不為零的物體可以無限接近於光速,但永遠不能達到光速。

由此我們知道,光速是宇宙中物質、能量、信息傳播的最高速度,子彈的速度不可能超過光速。

相關焦點

  • 光速為什麼不能被超越,根本原因到底是什麼?
    不要驚訝,這是真的,但我們需要在耍賴、作弊的情況下才能超越光的速度,這個我們後面再說。首先我們在非相對論的基礎上解釋下,為什麼我們不能超光速?  人類的極限速度人類目前造不出來,但宇宙可以,大家還記得黑洞旋轉的吸積盤的,磁場比人類創造的磁場強10億倍,噴射出來的宇宙射線(質子流)能量可以一路飆升到10^19 ev以上!  宇宙的極限速度,為什麼不能被超越?  這麼高的能量為什麼還是沒有超光速,下面就說說到宇宙的速度限制或者說能量限制了。當一個粒子的所攜帶的能量在5×10^19eV以上時,宇宙就開始幹預粒子,不讓其超過這個閾值。
  • 「光速不變」是什麼意思,是什麼限制了超光速現象?
    這時愛因斯坦就表示:以太是根本不存在的,光速相對於任何參考系都是不變的。我們知道:在一個相對靜止的參考系中,物理現象是不變的。舉個例子:人在地面跳一下和在運動的火車裡面跳一下,都還是會落到原地,就是因為人相對於腳下的地方是靜止的。然後愛因斯坦把它稱作狹義相對性原理。鑑於此,愛因斯坦就表示:以太是根本不存在的,光速相對於任何慣性參考系都是不變的。
  • 愛因斯坦說:物質傳播最快速度是光速,為什麼還存在超光速現象?
    超光速實際上是可以的,宇宙中存在著許多超光速的現象。那為什麼還會有個光速限定,又有什麼是超光速的呢?今天,我們就來聊一聊這個話題。狹義相對論實際上,光速針對信息、能量、物質傳遞而言的。這是上個世紀初才建立起來的觀念。在在此之前,科學家並不這麼認為。這些其實需要從高中物理中的「參考系」說起。
  • 愛因斯坦相對論的「光速不變原理」不可能被推翻?
    愛因斯坦的相對論之所以偉大,在於它不僅僅是對牛頓傳統時空觀的顛覆,而且是因為這一理論經歷住了100多年所有的質疑,而且被無數的嚴密科學實驗所證實。但是,世界上絕大多數認為「光速理論被推翻了」的朋友,他們並沒有真正的懂得相對論,不能理解為什麼光速是不可超越的。其實,光速不可超越,其正確的描述應該是,宇宙中凡是靜止質量為0的物質,它們的信息傳遞速度是不能超越光速的。
  • 宇宙裡的物質為什麼不能超光速?為什麼接近光速時質量會無限大?
    宇宙裡的物質不能超越光速的原因宇宙裡的物質不能超越光速,甚至連光速也達不到。因為達到光速時會使物質質量變得無窮大。相對論的質量效應公式表示得很清楚:其中m為物體的質量,m0為物體的靜質量,V為物質的運動,C為光速,當m0≠0,VC時,分母根式0,則m+∞。
  • 物質不可能從有到無再還原成原來的有,超越光速是一個錯誤嗎?
    愛因斯坦的相對論斷言光速是任何物質在真空中的最快速度,小說家的幻想沒有依據。一些歐洲科學家在實驗中發現,中微子速度超過光速。 如果實驗結果經檢驗得以確認,愛因斯坦提出的經典理論相對論將受到挑戰。 科學界認為這項發現是在愛因斯坦的理論上「炸開一個大洞」。
  • 如何超越光速?|No.227
    大家總說光速不可超越那是因為人類的能力是有極限的今天我們就不做人啦JOJO帶你超越光速!見識一下超光速的世界Q1為什麼不同種類的物質蒸發速度不一樣?Q7如何超越光速?by 愛因斯坦的老鄉答:光速就是光傳播的速度,但是光在不同介質中傳播的速度是不同的,因此在特定的條件下,是可以超越光速的。
  • 愛因斯坦為什麼會提出「光速不變原理」
    話說在1905年,有個26歲的瑞士專利局的三級技術員接連發表了四篇具有開創性的論文,後來的他成為了一代巨匠,物理學史上前二的科學家,他就是愛因斯坦。 而愛因斯坦最被後人津津樂道的成果是相對論。
  • 力的傳播速度遠超光速?
    這裡所說的光速實際並非光傳播的速度,而是一個固定數,實際光的傳播速度要略小於物理學中光速。     但是還有很多人提出各種各樣超光速的猜想,例如引力超光速,眼光超光速,光速加光速超光速等等形形色色各種的猜想。這類猜想已經在全世界範圍持續了將近一個世紀,但是至今我們沒有發現一種猜想能超光速的。
  • 「超越光速」旅行的兩種方式
    一百多年前,二十世紀最重要的人——阿爾伯特·愛因斯坦提出了狹義相對論的基礎,即沒有什麼物質會比光速更快:光速是一個最高上限,速度約為每秒300000公裡。光速被認為是自然界的一個基本常數,在著名的相對論方程E=mc中,光速(c)作為比例常數,將質量(m)和能量(E)的概念聯繫起來。
  • 目前已知光速最快,那麼未來有沒有可能發現快於光速的速度呢?
    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。
  • 如果出現超光速物質,整個世界將完全顛覆,你相信它存在嗎?
    如果現在沒有將來會出現嗎?時空通訊可以肯定的說:沒有,將來也不會有。這裡關鍵是「物質」,物質就有質量。愛因斯坦的真空光速極限是說光速在我們世界是傳輸最快的物質,這個物質就是光子,光速是光子運動的本質屬性,它生來就是以光速運動。光子沒有靜質量,但有動質量,光子能夠傳遞信息和能量。因此,光速極限是指任何有靜質量的物質都無法達到光速,更不能超過光速。
  • 光速是宇宙中最快的速度嗎?有四種速度比光速還要快
    愛因斯坦相對論的出現給人們的熱情潑了一盆涼水。根據愛因斯坦相對論,有質量的物體在宇宙中的速度只能無限接近光速而無法達到,更無法超越。如果物體的速度被限制在了光速以內,那人類能夠探索的星空就非常有限了,我們將永遠不可能探索銀河系,探索整個宇宙。如果是這樣的話,那人類發展太空科技還有什麼意義?那麼光速真的是宇宙中最快的速度嗎?
  • 比光速快的粒子存在嗎?用其原理製成的電話能打回過去嗎?
    人們普遍認為光速是宇宙速度極限,任何事物的速度都無法超越光速。但事實上,這隻適用於正常情況,原因很簡單:每當你推動一個有質量的物體,比如火箭,你都得消耗能量才能使其運動。速度越快,所需能量越多。這是按增加的比例計算的,隨著它的速度接近光速,它需要越來越多的能量來進一步加速直到達到光速,而這需要無窮多的能量。但你永遠不可能提供這麼多能量。
  • 比光速快10億倍的「速子」是如何不與相對論矛盾的?
    愛因斯坦在1905年的論文中寫道:「大於光速是不可能存在的。」「但現代科學和數學已經找到了聰明的方法來繞過這個問題,這些漏洞允許超光速,同時又不與相對論相矛盾。」
  • 曲率引擎可以超越光速嗎?
    2、曲率引擎的原理基於相對論下時空不是平直的產物(我們知道巨大質量的天體會引起時空的扭曲),宇宙是一個彎曲存在曲率的時空。曲率引擎就是通過產生極為強大能量的裝置,改變飛船後面的空間拉平(曲率變小,時空膨脹),使得飛船前方的空間彎曲更厲害(曲率更大,時空縮小)。
  • 光速與普朗克常數引出愛因斯坦的相對論及其命運的轉機:互為貴人
    愛因斯坦原來以為自己的論文發表出來就會引起物理學界同行科學家們關注和熱烈討論,結果卻是幾乎沒有任何反應。他非常沮喪,抱怨也無用,只能繼續他小職員的工作,還好他會拉小提琴。直到有一天不期而至的一位到訪者勞厄,這才逐步改變了愛因斯坦的生活的軌跡。他就是普朗克的博士研究生和助手勞厄。
  • 愛因斯坦又贏了!M87星系的黑洞噴射出超光速物質?科學家:是錯覺
    愛因斯坦又贏了!M87星系的黑洞噴射出超光速物質?第一眼看這些X射線數據的時候,噴流中的粒子速度似乎比光速還要快,但這是由一種被稱為超光速運動現象所造成的錯覺。研究的主要作者、哈佛-史密森天體物理中心(CfA)的博士後布拉德·斯尼奧斯(Brad Snios)在一份聲明中說:「我們並沒有違反物理規則。」當物質以接近光速的速度,在地球和天體之間沿著接近視線的方向運動的話,超光速運動就會發生。
  • 證實超光速粒子(Tachyon)的存在意味著什麼?
    自從相對論提出光速不可超越以來,仍然有很多科學家不信「邪」,最早在1962年,美國科學家德什潘德、比拉紐克和蘇達尚開始了超光速的研究,並發表了一篇名為《「元」相對論》的論文,詳細闡述了超光速的可能性。1967年科學家費因伯格提出了《快子理論》,將超光速粒子命名為「快子」(tachyon),而將比光速慢的粒子命名為「慢」(bradyon)。
  • 光速不可被超越?3種超光速物質被發現,最後一種還能助人類穿越
    筆者-小文光速被認為是宇宙中最快的速度,可以達到每秒30萬千米,但光速同時也被科學家認為是宇宙高級文明用來束縛人類的、防止人類走出宇宙的枷鎖。在愛因斯坦提出的相對論中指出,當某個物質達到或者無限接近光速時,時間相對於這個物體而言就如同靜止了一般,打個比方說,當人們在光速飛行的飛船中度過一秒鐘,但在地球上,可能已經過去了上百甚至上千年,而飛船內的人卻可能渾然不覺。光速也被認為是不可超越的速度,一個物質的速度越接近光速,它的質量也就越大,而所需的推動力也就是燃料也就越多。