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。在高中物理學課上,老師會告訴你要研究運動時,需要先選定一個參考系。比如,我們以地面為參考系,地面上有個小車,小車上面有個人,這個時候車的速度是20m/s,而車上的人沿著車的運動方向運動,速度是5m/s。如果地面上有個觀測者,那在他眼裡,人的速度就是20+5=25m/s。
這其實很符合我們的觀念,這其實也是牛頓理論下的一個很具體的展現。
這一切看起來都特別合理。但是後來,科學家開始著手研究電和磁的現象。最後由麥克斯韋提出的麥克斯韋方程統一了電和磁,並且麥克斯韋還預言了電磁波的存在,可見光就是電磁波中的一種。
這之後,赫茲通過實驗證明了麥克斯韋的理論是正確的。
麥克斯韋理論是可以推導出電磁波,或者說是光的速度,這個速度表達是c=1/ε0μ0。其中ε0μ0都是常數,因此光速c就是個常數。
這意味著光速是不需要參考系的,在任何慣性參考下都是一個速度。那就和牛頓理論是相互矛盾的了。
這兩位物理學界大神的理論都無比正確,都做出了非常傑出的預言。科學家直接判定誰對誰錯都會遭來強烈的反對。於是,許多科學家就想尋找「光的參考系」,這個參考系被他們命名為以太。一群實驗物理學通過各種方式去尋找以太。結果呢?
他們發現這個東西壓根就不可能存在。所以,實際上科學家的這種「委屈求全」是有問題的。
後來,愛因斯坦直接甩掉了「以太」這個包袱,直接以光速不變原理為基礎,加上相對性原理,推導出了相對論。
相對論質量
通過這兩條基本假設,我們就可以推導出物體隨著運動速度的變化,質量也會發生變化,可以用下面的方程來描述。
根據這個方程,我們就發現,隨著速度的增加,物體的質量也增加。而當速度無限逼近光速時,質量變得十分巨大。同時,我們可以根據動能定律來推導,如果給物體加速所需要的能量。
根據這個方程,我們就會知道,想要讓物體達到光速,就需要無限多的能量,而此時的質量也是無限大的。但是上哪弄到這麼多的能量?畢竟傾盡宇宙中所有的能量都無法做到。因此,我們說,對於物質、信息、能量的傳遞而言,速度的極限就是光速。
超光速
我們要知道是,宇宙中不僅僅只有物質、信息和能量。實際上,還存在著許許多多的其他東西,比如:時間,空間等等。那有沒有超光速現象呢?
答案是:有。宇宙空間的膨脹就是超光速的。
如果以我們地球為參考系,距離我們足夠遠的天體遠離我們的速度是超光速的,但實際上並不是它們在運動,而是宇宙的空間在膨脹。
不僅是如今的宇宙是這樣,在宇宙的早期,發生過一次暴脹。這一次宇宙的空間劇烈膨脹,如果我們當時的宇宙看成只有一粒沙子那麼大,那這個宇宙相當於從「沙子」瞬間膨脹到「可觀測宇宙」那麼大,再把它再看成是一粒「沙子」再膨脹到「可觀測宇宙」那麼大,要知道可觀測宇宙可是930億光年的。宇宙就是在那一瞬間變大到原來的10^30倍。這個膨脹的速度是遠遠超過光速的。
除了宇宙膨脹,還有一個超光速事件就是量子糾纏。很多人都認為它違背了相對論,實際上並沒有。我們還說回到相對論的限定對象就是物質、信息和能量。量子糾纏實際上是沒有辦法傳遞信息的,而是用來加密的。
為什麼這麼說呢?
量子糾纏是指兩個粒子的狀態會相互影響。但是這裡我們要知道的一件事,實際上這粒子應該是處於疊加態的。當一個粒子坍縮之後,另外一個也就定下來。但是我們再去操作已經坍縮的粒子,另外一個粒子是不會發生任何改變的。因此,我們沒辦法用量子糾纏來實現信息的傳遞。所以,量子糾纏其實並不違反相對論。