光速是速度極限?看看這些超光現象:大爆炸, 量子糾纏和蟲洞

2020-11-23 雷鋒網

［編者按］本文由知社學術圈編譯自 Jessica Orwig：These 4 cosmic phenomena travel faster than the speed of light 

以前，質量和能量在人們眼中一直是兩個獨立的概念。但在1905年，愛因斯坦永遠地改變了物理學家看待這個世界的方式。

他的狹義相對論永遠地把質量與能量捆綁在一起，表達形式是再簡單不過的E = mc2。這個公式告訴我們一切具有質量的物體，其運動速度都不會達到或超越光速。人類所達到過最接近光速的情況是在強大的粒子加速器中完成的，比如大型強子對撞機和正負質子對撞機。

這些巨型的機器可以將亞原子粒子加速至光速的99.99%以上，不過物理學諾貝爾獎得主David Gross解釋說這些粒子永遠無法達到宇宙速度的極限。

要實現這一點，我們將需要無限大的能量，在此過程中，物體的質量也會變為無限大，這當然是不可能的。光的粒子之所以稱為光子，並能夠以光速運動，是因為他們不具有質量。

愛因斯坦之後的物理學家已經發現一些單位可以達到超光速狀態，同時仍遵守狹義相對論中的宇宙定律。這些現象並沒有違背愛因斯坦的理論，而是讓我們更深入地理解了光的奇異行為以及奇妙的量子世界。

｜光的「音爆」

當物體的速度突破聲速時，會產生音爆。所以在理論上講，如果有物體運動速度超過光速時，可能也會產生類似的「光爆」。實際上，這種現象在我們的世界上普遍存在，你用肉眼就可以看到。它叫做切連科夫輻射，在核反應堆中會呈現為藍色輝光。

切連科夫輻射以蘇聯科學家帕維爾·阿列克謝耶維奇·切連科夫命名，他於1934年首次詳細記錄了這一現象，並因此於1958年榮獲諾貝爾物理學獎。

切連科夫輻射之所以呈現出藍光是因為反應堆的核心被浸沒在水中冷卻。在水裡，光的速度只能達到其在宇宙真空中的75%，但是核反應所產生的電子在水中的速度要大於光的速度。

諸如電子這樣的粒子，當其在水中或者其他介質中(比如玻璃)的運動速度超過光速時，將產生類似於音爆時產生的激波。

舉例來講，在火箭升空時，會在其頂部前方形成壓力波，並以聲速離開。火箭距離音障越近，壓力波需要逃開火箭路徑的時間就越少。一旦火箭達到聲速，壓力波積聚並產生音爆巨響。


相似地，當電子在水中的運動速度超過光速，也會產生一種有時呈現為藍色輝光的激波，不過有時也會是紫外線的形式。當然，這些粒子在水中超過光速的時候，它們並非突破了宇宙速度的限制，即30萬公裡每秒。

｜當相對論不再適用

我們要知道，愛因斯坦的狹義相對論已經闡明：具有質量的物體無法超越光速。以目前物理學家的認知，我們的宇宙確實遵守這一法則。不過那些沒有質量的東西呢？

光子，就其本質來說是無法超越光速的，但是光的粒子並不是宇宙中唯一不具有質量的東西。真空空間不具有物質實體，也就是說不具備質量。「那只是虛無的真空，其膨脹速度是可以超越光速的，因為沒有什麼東西需要打破光障，」理論天體物理學家Michio Kaku說，「真空空間的膨脹一定能夠超越光速。」

這正是物理學家們認為的在宇宙大爆炸後立即發生的極速膨脹，該理論首先由物理學家Alan Guth和Andrei Linde於上世紀80年代提出。在兆兆分之一秒內，宇宙不斷重複地複製自身體積，於是，整個宇宙外部邊緣的擴張速度極其之大，遠超過光速。

｜量子糾纏

「如果兩個電子足夠靠近，根據量子理論，它們將同時振動。」Kaku介紹到。現在，假如我們把這兩個電子拆開，讓它們相聚數百或者數千光年，它們仍會保持著這種即時通信橋梁。

「如果我晃動其中一個電子，那麼另一個會立刻感知到這個振動，這比光速還要快。愛因斯坦認為這違背了量子理論，因為任何東西都不能超越光速。」Kaku寫道。


實際上早在1935年，愛因斯坦、鮑裡斯·波多爾斯基還有納森·羅森曾試圖藉由一個思想實驗推翻量子理論。愛因斯坦稱之為「詭異的超距作用」。

諷刺的是，他們在論文中提出了我們今天所謂的「EPR悖論」，它描述了這種量子糾纏的即時通信——這是世界上一些尖端科技中不可或缺的部分，比如量子密碼學。

｜蟲洞之夢

既然帶質量的東西都無法超越光速，我們可以和星際旅行說再見了。至少，就傳統意義的宇宙飛船和太空飛行來講是這樣。

儘管愛因斯坦的狹義相對論讓我們的深空旅行夢想破滅，他仍憑藉1915年提出的廣義相對論為星際旅行帶來了新的希望。狹義相對論把質量和能量捆綁於一處，廣義相對論則將時間與空間編織在一起。

「突破光障的唯一可行辦法大概就是通過廣義相對論的時空扭曲，」Kaku表示。用通俗的話說，就是蟲洞。理論上講，我們可以瞬間跨越巨大的距離，也就是說打破宇宙速度的限制，在極短的時間內完成長距離旅行。

1988年，理論物理學家Kip Thorne曾通過愛因斯坦的廣義相對論方程預測了蟲洞永遠打開供時空旅行使用的可能性。不過為了保證蟲洞的可通過性，必須有來自外界的奇特物質來加以維持。Kip Thorne是一年前火爆全球的影片《星際穿越》的科學顧問兼執行製片。

Thorne在他出版的《The Science of Interstellar》中寫道：「多虧了不可思議的量子物理學定律，現在看來，那種外來物質是可以存在的。」

實際上這種所謂的外來物質已經在我們地球的實驗室裡製成，只不過非常微量。當Thorne在1988年提出關於穩定蟲洞的理論時，他號召物理界幫他一起確定宇宙中是否存在足夠的外來物質以支持蟲洞的出現。

「這引發了眾多物理學家的不斷鑽研。然而近30年過去了，時至今日我們仍沒有得到答案。」儘管目前的進展並不樂觀，不過Thorne斷言，「我們距離終極結論仍有很長的路要走。」

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  • 光速公認是宇宙最快速度?別被騙了,這3個速度不亞於光速!
    光速公認是宇宙最快速度？別被騙了，這3個速度不亞於光速！光速是宇宙中最快的速度，也是人類永遠邁不過去的一道坎。它是一種極限速度，對人類而言，想要達到這種速度比登天還難。一個人奔跑的最高瞬時速度大約是44千米每小時，這已經算是人類的極限了，光速比這種速度遠遠快得多。人類只能無限制的接近光速，根本不可能超越這種速度。自進入浩瀚的宇宙，科學家才真正感受到地球的渺小，宇宙間的距離大多用光年表示。或許對人類而言，光速是永遠不可抵達的一種速度，如果站在其他角度上，或許就是另一層含義了，據科學家的研究，光速並非無法超越。
  • 四個宇宙現象超越光速
    所以理論上，物體以超光速運動時，也會產生類似「光爆」的現象。其實，在日常生活中，這種光爆現象肉眼可見。它被稱為「切倫科夫輻射」，在核反應堆內部呈藍光。切倫科夫輻射之所以發光，是因為反應堆堆芯被置於水裡，以保持冷卻。在水裡，光速是真空光速的75%。然而，堆芯內部反應產生的電子在水裡的運動速度比光快。在水、玻璃等介質中，當粒子運動速度超過光速時，會產生類似音爆的衝擊波。
  • 量子糾纏和宇宙暴脹都遠超光速,為什麼不違背相對論?
    看科幻電影的時候，經常會出現超光速的情節，比如超光速曲率引擎什麼的。當你學到大學物理的時候，才明白現代物理學並不允許物質的運動速度超過光速。於是你會感嘆：科幻畢竟是科幻。其實不然，超光速現象在宇宙中比比皆是。大家請注意我的用詞，不可超光速指的是物質的速度極限。而宇宙中還包含其他速度概念，它們並非是物質現象。
  • 光速是已知最快的速度麼？速度的極限是多少？
    人類目前已知的最快速度是光速，自然界中，似乎任何有質量的物體都不可能超越光速，然而，宇宙暴漲和量子糾纏的速度居然超越了光速，這是因為量子間的信息傳遞是瞬間發生的、也是隔空的，相當於不攜帶信息，鑑於宇宙是空間本身，所以，這兩種現象均不違背相對論，或許接下來的答案不會讓你感到失望，正因量子物理擁有一個可愛的性質，即全同性原理。
  • 真空光速並非極限:宇宙中這3種「速度」,其實比光速更快
    真空光速並非極限：宇宙中這3種「速度」，其實比光速更快目前人類發現的速度最快的物質，就是真空中的光。光在真空中的傳播速度大概是30萬公裡每秒，而且根據愛因斯坦的「光速不變原理」，相對於宇宙中的任何一個參考系，光速都是恆定的。
  • 光速並不是宇宙中最快的速度,而這些東西都超越了光速
    但是宇宙中確實有一種力量它超越了光速。而且每時每分每秒都在超越光速，這就是宇宙膨脹的速度。說起宇宙膨脹，就不得不提科學界流行的宇宙大爆炸理論了，這股速度起因是由於宇宙中的一個奇點，在138億年前的某一刻釋放出了無窮大的能量。宇宙膨脹就此拉開序幕，當時宇宙的膨脹速度就已經是超越了光速還綽綽有餘（宇宙大爆炸之初，科學家們觀測發現宇宙每秒擴大十光年）。
  • 光速並非不可超越,這些速度就比光速快!
    量子糾纏的速度量子糾纏是一種量子力學現象，在是1935年由愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出的一種波。簡單來講，就是兩個量子之間一旦建立起糾纏關係，那麼它們就像人類所說的心靈感應一樣，一個量子的行為會影響到另一個量子，無論它們距離多遠！
  • 宇宙中光速並非最快,四種超越光速的速度,你會知道幾個?
    說了這麼多，我相信每個人都很好奇宇宙中存在什麼樣的「超光速」現象。讓我們看看他們，看看你知道多少。第一：大爆炸的時刻根據數百年來對宇宙的研究，科學家從許多細節中發現了一個驚人的事實:現在的宇宙起源於100多億年前的一次爆炸，爆炸前宇宙是一個密度、質量和體積無限的點。
  • 盤點超光速理論：宇宙膨脹、量子糾纏、蟲洞及曲相推進
    愛因斯坦狹義相對論認為：真空中的光速是自然界物體運動的最大速度。真空光速定義值：c0=299792458m/s，約30萬千米/秒。光速與觀測者相對於光源的運動速度無關。物體的質量將隨著速度（至少達到光速的1/4）的增大而增大，當物體的速度接近光速時，它的質量將趨於無窮大，因此有質量的物體達到光速是不可能的。只有靜止質量為零的光子，才始終以光速運動著。光速與任何速度疊加，得到的依然是光速。
  • 對量子糾纏現象的一個時空結構猜想—愛因斯坦相對論中的蟲洞結構
    量子糾纏，作為量子力學中最為神秘的現象之一，一直都是大家所困擾的問題。在量子世界中，兩個或兩個以上的量子之間發生相互作用，那麼它們就會成為一個不可分割的整體，從而無法單獨描述單一粒子的狀態。在這種情況下，這種「作用」的發生速度是無窮大的，從而也就違背了愛因斯坦的光速不可超越準則。對於這種現象，是不是可以用愛因斯坦的廣義相多論中的蟲洞思想來解決呢？就是說，如果兩個量子發生了糾纏作用，那麼它們二者就被徹底的連在了一起，從而在時空上無法分離。
  • 科普:有4種宇宙現象的傳播速度比光速還快,你知道嗎?
    愛因斯坦的狹義相對論把質量和能量永遠地聯繫在一起，在簡單的基本方程E = mc2中。這個小方程式預測，任何物體都不能像光速一樣快，或者更快。人類有史以來最接近光速的是強大的粒子加速器，比如大型強子對撞機和粒子加速器。這些巨大的機器加速亞原子粒子的速度超過光速的99.99%，但是正如諾貝爾物理學獎獲得者大衛·格羅斯解釋的那樣，這些粒子永遠不會達到宇宙速度的極限。
  • 光速恆定,那麼量子糾纏的傳輸速度也是恆定的嗎?
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  • 光速限制為什麼對量子糾纏和宇宙膨脹速度無效?
    要回答這個問題，首先要理解光速的定義，以及光速限制的背景和條件，就能明白為何光速限制對量子糾纏、類星體和宇宙膨脹速度無效了。光速限制為什麼對量子糾纏和宇宙膨脹速請仔細體會光速的描述，裡面提到光速之所以不可超越，是因為有質量的物體的運動速度無法達到光速
  • 相對論說光速不能超越,那麼量子糾纏和引力波超光速了嗎?
    量子糾纏的影響是瞬時的，引力波的傳遞速度是光速。相對論描述了在我們宇宙中，有效信息的傳遞速度最快為光速；從愛因斯坦的引力場方程，也可以得到引力波的傳遞速度為光速，這點已被天文觀測所證明。比如在2017年10月16日，人類觀察到的雙中子星合併事件，就距離地球1.3億光年，電磁波和引力波幾乎同時到達地球，證明了引力波的傳遞速度為光速。
  • 蟲洞與量子糾纏
    為了解決黑洞火牆的這個悖論，兩位作者在論文中做出了一個大膽的論述，而這有可能正是使量子力學與廣義相對論相融洽的關鍵。引發黑洞火牆悖論的起點在於量子糾纏現象，這種現象是在微觀領域由量子力學描述的一種奇特現象：兩個處於糾纏態的微觀粒子，無論它們之間相隔多遠，它們的狀態始終可以超越空間相互影響。
  • 量子糾纏信息傳遞速度真的超過光速嗎?
    量子力學理論是近代物理基石之一，在量子世界中，微觀粒子並不是界限分明的小球，而是行蹤詭異的概率雲，這些粒子並不存在某一個位置上，也不會從一點通過一條單一的路逕到達另一點，真實的情況是，粒子十分像波，我們用波函數來描述粒子的行為和特徵。
  • 愛因斯坦提出光速是物質運動最高速,那還有比光速更快的速度嗎?
    比如說宇宙空間膨脹的速度、量子糾纏的速度，還有走捷徑的「蟲洞」和曲速旅行等，它們的「速度」都是光速的N倍。1，宇宙空間膨脹的速度的確超光速這從實際觀測和理論兩方面都得到了證實。2，量子糾纏超光速量子糾纏是量子力學提出的概念，根據不確定性原理，兩個糾纏的量子分開後並不確定它們各自的狀態，只是由於觀測確定了其中一個的結果，另一個即使相隔再遠，哪怕是宇宙的另一邊，也會瞬間確定，傳輸速度至少是光速的10000倍，因為它們並沒有傳遞信息和能量
  • 根據相對論,光速是信息傳遞的最快速度,但這些速度比光速還快!
    在宏觀低速下，如果有個人在車上走，如下圖這樣的情況，車速是10m/s，人在車上行走的速度是5m/s。那如果有一個地面的觀測者，他看到的人行走速度其實應該是：10+5=15m/s。這其實很符合我們物理直覺，在初高中時，老師教的也就這些內容。
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