我們明明可以看到遙遠的行星,為什麼說我們的眼睛沒超光速?

2020-05-04 趣談科學

眼睛長在人身上,人不超光速,眼睛如何超光速?並且人類超越不了光速,或者說組成你的微觀粒子超不了光速,除非你是純能量體,即由光子組成,但你就不是你了,你就成了一道光。

我們明明可以看到遙遠的行星,為什麼說我們的眼睛沒超光速?

圖:人體內原子的構成

天體當時都是真實存在的,為什麼要說當時呢?因為你的到的信息「不靈通」呀,你看到的都是歷史。

我們明明可以看到遙遠的行星,為什麼說我們的眼睛沒超光速?

圖:哈勃定律,天體退行速度與距離成正比,宇宙一直在膨脹,遠處的天體一直在遠離我們

具體怎麼回事,下面我們來聊聊。

光速超不了

愛因斯坦的《質增效應》說任何靜態質量不為零的物體都無法超越光速。簡單來說,就像你有一個超精準的質量,哪怕再小的粒子也能稱出質量來。當任何物體放在稱上,相對於稱不動(靜止),稱上顯示的示數隻要不為0,哪怕顯示0.0...(n個0)01,那這個物體也達不到光速。為什麼會這樣?

  • 量子分析光速無法超越

從微觀態分析,根據老愛質能等價方程E=mc^2,我們可以知道質量只是能量的一種形態。按牛頓的話來說,質量是物體具有的慣性,這種慣性可以在一定程度上組織物體運動狀態發生改變。說來說去不就是能量嘛,物體具有一種能量,類似於「內能」,如果沒有足夠能量,或者足夠的力對它做功,那麼你就無法改變它。就像太空有一塊勻速飛行,不收到不受任何力(或者合力為0)的隕石,你無法一巴掌給它扇飛。但是光把表面說清楚可沒有說服力,本質是什麼?

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圖:原子到基本粒子

本質其實老愛說了,質量的本質是能量。物質由粒子組成,也就是說微觀粒子存在質量!那微觀粒子質量拿來呢?我一桿子插到底吧!原子由質子、中子(電子質量太小)再由夸克(子)組成。每個質子或中子之中有3個不相同的夸克,並非夸克本身質量大,物質主要質量來源於夸克與夸克之間的強相互作用,也就是通過膠子(規範玻色子)來傳遞它們之間的能量,這種作用使夸克具有了大量的能量,於是夸克承載了物質大部分的質量來源。但是要產生強相互作用的前提是夸克本身要有質量。那夸克本身的質量又是來源於哪呢?

這就要說到質量之源,上帝粒子希格斯玻色子了。在量子力學中描述了,粒子都處於疊加態,同時具備波動性,又具備粒子性。

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圖:希格斯玻色子的發現

希格斯玻色子的波動性形成了希格斯場,充斥著宇宙各個角落。夸克存在於宇宙中,當它構成了穩定的組合(中子、質子),必然會經受希格斯場的拆散。希場就如同一個海洋,一波波海浪拍打著、推動著它們,使他們具有了一定的勢能,這就是夸克的質量來源,也是大多數靜質量不為零的粒子的靜態質量來源。簡單來記就是,夸克不想在孤單的漂泊,想靜下來有個安定的家,就要經受得住希海浪的誘惑,經受住了就形成了穩定狀態,這就是質量,即穩定的能量。

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圖:粒子在場中運動

可見分析到最後可以發現一切質量起源於夸克從希格斯場中獲得了勢能,所以老愛說的是對的,質即能。這跟光有什麼關係呢?

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圖:粒子物理標準模型

在物理中粒子有兩大類,一類是可以組成你摸得著的物質,例如電子、夸克,它們的自旋一般為半整數倍,我們叫他們「費米子」(費米的,要花錢得,看得見摸得著的)

還有一類為上面提過得玻色子,自旋為整數倍。它們是摸不著,不信你抓個光看看!除了光子,上面說的膠子也是玻色子,一般來說玻色子就像中介,傳遞物質與物質之間的能量,使他們相互作用,而四大力中的電磁力就是交換光子,因為光為電磁波,所以叫電磁力,而上面說到膠子就是強力,可以說它們不是物質。

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圖:光子不受場的影響

光子就像個「幽靈」,不食人間煙火,完全無視希海,無法和希海相互作用,所以光子沒有質量,是存能量,它不會受宇宙間的各種場所制約,與任何物質不存在相對運動的關係,所以正常來說它的速度是不受限的,也代表著宇宙的最高速度,但凡有點質量的物體都會受場的制約,所以就會比光慢。

不過還有一點,就是老愛廣義相對論中的引力場,因為引力場是時空彎曲。無論光子再高冷也要有路走啊,所以路是彎的,它就走彎路,但是從光的視角來看,它走的還是直線,物理學把這種時空中彎曲的「直線」叫做測地線。

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圖:引力場使光線發生偏轉

  • 相對論分析光速無法超越

老愛的質能方程其實是建立在狹義相對論的公式推理之下的,現有的是《質增效應》,這裡不推導過程了。說這個是為了告訴你如果質能等價是描繪能量與質量的關係,那麼它的前身質增效應就是描繪質量與速度,而物體有速度就會產生動能,這也是動態質量的來源,動態質量與靜態質量就是能量與質量之間的等價,所以速度是關鍵。

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圖:質增效應公式

從質增效應的公式中,我們可以發現物體運動的速度v不能等於c,或超過c,如果等於了那麼分母為0,等式要想成立m0(靜質量)只能等於0,即靜質量為零的物質,必然是光速,靜質量不為零,則必然是低於光速。

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圖:質速關係曲線

從質速關係公式的曲線圖中可以知道,隨著速度的增加,運動物體的相對質量也在增加,即使物體加速的能量體現在了物質的質量上,而質量即能量,所以你用手推小車,給了小車能量,小車的能量體現在小車變重了,如果你想把小車推到光速,即使無窮盡的能量也不行,最多就是無限接近光速,因為靜質量制約著它。

接下裡回答問題二,這其實是信息延遲的問題。

你看到的都是歷史

其實眼睛,超光速,天體的影像都在圍繞著一個東西就是「光」。光是信息的載體,遙遠的天體把自身信息通過光的形式發出,而光相對於人是有速度的,即光速,於是這些信息向你駛來的時候就會出現一個問題,距離有多遠,我需要傳播多久。

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圖:郵件傳輸

想想古時候,沒有電話,只能靠信,信件就是信息的載體,它靠信鴿、快馬加鞭傳播。前線戰報一般需要幾個星期甚至更久才能傳達到皇帝眼裡,具體多久需要看鴿子和馬的速度,還有前線到皇宮的距離。但是不管怎麼樣,消息肯定不是即時的,都會有延遲,只是延遲的多少不同而已。

這就像我們看到的天體一樣,我們眼睛接收到的信息其實是攜帶「天體」信息的「信件」。此時此刻天體是什麼樣,我們無法知道,因為攜帶著此時此刻天體信息的光,就如同戰爭中的現場戰報剛剛發出。

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圖:宇宙膨脹,光出現紅移現象

如果一束光跑了130億年才到達地球,那麼這束光攜帶的信息就是130億年前的。也就是說我們看到的是130億年前的天體,此時此刻這個天體或許已經不存在了。

這就像皇帝剛接到前線一星期前出發即將勝利的消息,在皇宮大擺宴席,慶賀十天十夜。沒等宴席結束呢,在第7天又傳來全軍覆沒的消息。原來在勝利戰報剛傳出去時,敵軍逆襲了,不到一天就翻盤了。其實這個遊戲還可以繼續下去,7天後又來消失,反殺了。。。。。。

我們明明可以看到遙遠的行星,為什麼說我們的眼睛沒超光速?

圖:宇宙膨脹為格子擴大並非格子增加

我們說說天體,如果你此刻接收到一顆天體的光,我就假定這個天體130億年了,就一直在那沒動,其實你現在看到的光,也不是天體目前的位置,因為宇宙膨脹,天體與你直接的距離變大了。這就像戰士們驍勇善戰、勢如破竹,越打越遠,打歐洲去了 ,然後130億年後板塊漂移了,天體的位置並非天體在運動,它是被動的!當然宇宙膨脹、紅移與空間的關係信息量很大,這裡就不展開了。

那為什麼地球上的事件沒有延遲呢?其實也有延遲,我們看到的都是歷史,一輛車從你面前駛過,如果一點光線都沒有,你完全看不到你前面有個車。如果有光,光照射到汽車上,記錄了汽車的信息再反射給你,這個過程需要時間,由於光速太快所以你沒有感覺到延遲!你想想用以前電話線撥號上網和現在光線上網哪個延遲大?為什麼現在可以玩大型的多人在線遊戲,因為延遲太低,對方拿槍指著你,你同時也得到被指的反饋,才知道要躲。

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