為什麼光速是速度的上限?

2021-01-15 火星科普

如果從經典物理學的角度來看,只要給一直給太空中的飛行器一個大於零的合力,由於飛船的質量保持不變,其加速度大小恆大於零:

在這種情況下,飛行器的速度就會變得越來越快,並且最終遲早會超過光速,達到遠遠快於光速的地步。但相對論表明,光速是速度的極限,飛行器是不能被加速到光速的,只有諸如光子、膠子之類的無靜質量粒子才能達到光速。原因在於,牛頓第二運動定律中的質量是一個變量,只有在速度遠低於光速時才能認為是一個常數:

事實上,運動質量m會隨著速度接近於光速而大幅度增加,由此引發的相對論效應不能再忽略。運動質量m與靜質量m0有著如下的關係:

基於此,可以推導出如下的相對論動能公式:

對於飛行器這樣有靜質量的物體,一旦速度無限趨於光速,運動質量以及動能就會趨於無窮大,所以飛行器無能怎樣加速都無法達到光速,更不可能超過光速。

考慮到宇宙之大,遙遠的系外行星都在光年之外,而河外星系更是在幾十萬甚至上百億光年之外,那麼,無法以光速運動的我們是否就不能進行星際旅行了呢?

其實不然。雖然局域速度被狹義相對論限制了,但相對論還有其他非常重要的推論——尺縮和鍾慢效應。對於地球上的觀測者來說,飛到幾十萬光年之外的河外星系,飛行器需要幾十萬年的時間才能到達。然而,對於速度足夠接近光速的飛行器來說,飛到河外星系可能只需幾年甚至是幾天的時間,因為飛行距離會被壓縮到只有幾光年甚至幾光天,這就是相對論所說的時間和空間都是相對的。

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    在如今的科學認知中,光速是目前已知最快的速度,宇宙內的速度上限也就是光速,任何東西在任何人的眼中都不會比光速快,人類不能超越光速?因為這會打破因果律。 舉個例子,一個人在地球乘坐飛船,向一個宇宙中的目標飛去,同時,另一個人在地球打開手電筒,這束光也朝著同一個目標飛去,如果這個飛船足夠快,突破了宇宙的速度極限。那麼會發生什麼事呢?隨著飛船越來越快,在他眼中光子從離開手電筒到擊中目標的時間會越來越短。在某個時刻,飛船速度足夠快,他會看到光子在離開手電筒之前就擊中目標了。
  • 光速上限30萬km/s,聲速上限剛確定36km/s
    30萬公裡/秒,這也是這個宇宙中所有速度的最高上限,再沒有什麼物質或信息的速度比這更快的了,我們也被這個速度牢牢禁錮在宇宙一隅,難以向更遙遠的宇宙空間邁出小小的一步。不過聲音的速度比起光速來就要遜遠了,在空氣中傳播的速度大約是340米/秒,只有三分之一公裡,是光速的百萬分之一。然而聲音在各種介質中的傳播速度是不同的,介質越硬,聲音傳播速度越快。
  • 光速上限30萬km/s,聲速上限剛確定為36km/s
    可能所有人都知道,真空中光速是30萬公裡/秒,這也是這個宇宙中所有速度的最高上限,再沒有什麼物質或信息的速度比這更快的了,我們也被這個速度牢牢禁錮在宇宙一隅,難以向更遙遠的宇宙空間邁出小小的一步。不過聲音的速度比起光速來就要遜遠了,在空氣中傳播的速度大約是340米/秒,只有三分之一公裡,是光速的百萬分之一。然而聲音在各種介質中的傳播速度是不同的,介質越硬,聲音傳播速度越快。比如在水中聲音的傳播速度約1500米 /秒,在鐵中聲音傳播速度則超過5000米 /秒,目前測得最快的是在金剛石中的傳播速度,約為18000米 /秒。
  • 引力波速度是為什麼是光速?引力速度是最快速度嗎?
    先確定一下你說的速度是指什麼速度,你不說我當你是運動速度了()按照狹義相對論,宇宙中最快的運動速度是光速。這是狹義相對論的基本公設,目前所有理論所有實驗都沒有違背這條公設。至於光速為什麼不變,在這裡就不多作探討。簡單說就是四維時空的結構決定的。然後我們來看看廣義相對論裡的引力速度。
  • 兩個光速物體相向而行,相對速度是否超越了光速?
    首先,假使真的可以造出光速運行的器械,那麼你能看到什麼呢?如果兩個物體是是在同一條運行線路上,那麼你是看不見另一個物體的,因為物體運動速度和光傳播速度相一致,當你要看見的一瞬間,也代表著兩個物體相撞毀滅。當然以上所述並非考慮相對論,但僅僅考慮相對論就很簡單了。
  • 如果速度超過光速會有什麼後果?
    ,由此推導出真空中的光速是宇宙中最快的速度,任何物體或者信息的傳播速度都不會超光速。那麼,如果速度超過光速會發生什麼?為什麼光速是宇宙速度上限?雖然光速理論上不可超越,但在現實中確實有各種「超光速」現象,切倫科夫輻射就是一個例子。切倫科夫輻射光的傳播速度與介質有關,在真空中最快,而在其他介質中會變慢。例如,光在水中的傳播速度會下降25%,為真空光速的75%。在這種情況下,就有可能出現超光速的情況。
  • 光速是宇宙中最快的速度嗎?有四種速度比光速還要快
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  • 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?
  • 聲速居然像光速一樣,也有速度極限!36公裡每秒
    而在固體中,聲音的傳播速度就要遠大於空氣中和液體中。例如,鐵棒中的音速在20℃條件下可達到約5130m/s。這就是為什麼一列火車從遠處駛來,我們會先聽到鐵軌的震動聲,然後再聽到火車的鳴笛聲。愛因斯坦的狹義相對論給波的傳播設定了絕對的速度極限,即真空光速,約為每秒30萬公裡。然而,科學家們此前並不知道聲波在固體中傳播時是否也有一個速度上限。
  • 聲速居然像光速一樣,也有速度極限!36公裡每秒!!
    而在固體中,聲音的傳播速度就要遠大於空氣中和液體中。例如,鐵棒中的音速在20℃條件下可達到約5130m/s。這就是為什麼一列火車從遠處駛來,我們會先聽到鐵軌的震動聲,然後再聽到火車的鳴笛聲。通常來說,聲音在固體中的傳播速度又與介質的剛度和密度相關。可以說,材料越「硬」,音速往往會越快。那麼,音速最快可以達到多少呢?
  • 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  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。就是我們所說的GZK極限值!
  • 如果一種物質的速度超過光速,會發生什麼?
    如果物質的速度超過光速會怎麼樣?我認為它會消失或者被取代,但它不會被摧毀!! 我們不知道如果一種物質的速度超過光速會發生什麼,原因很簡單,因為它永遠不會超過光速。光速是一個物體相對於附近物體的運動速度的最基本上限。事實上,任何具有有限靜止質量的物體都不可能以光速運動。
  • 為什麼星系能超光速退行,光不是最快速度麼?它們有半毛錢關係?
    宇宙暴漲的證據一:哈勃紅移遙遠星系的退行速度與距離成正比,哈勃通過十數年對遙遠星系觀測發現,在觀測範圍內,退行速度與紅移保持基本良好的線性關係,即越遠的位置紅移值越大!3、威爾金森微波各向異性探測器WMAP的數據以最高精度的宇宙微波背景輻射為標準,在2008年時測定的哈勃常數值為71.9 +2.6 −2.7 /千米/秒/百萬秒差距(上限 +2.6,下限−2.7 )!
  • 為什麼光速不取整為每秒3億米?
    根據現有的理論,光在真空中的傳播速度是宇宙中最快的局域速度,其數值為299792458米/秒。真空光速的數值是人為定義的,其小數位後面都是0。既然光速是定義的,那麼,為什麼不取整為3億米/秒呢?這個問題涉及到了人類對光速的認識和測量過程。
  • 這些速度都比光速快!但為什麼不違背相對論?
    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!
  • 如果光速是宇宙的速度上限,那麼溫度是否有上限?
    如果光速是速度的極限,那麼溫度有極限嗎?我們知道,按照科學家的理論,光速是宇宙的極限,那麼溫度是否有極限呢?根據科學家提出的猜想,絕對熱(或普朗克溫度)是一個溫度概念,它假設物質存在一個最高可達到的溫度。最高溫度被認為是1.416833(85)x 10^32開爾文。相比之下,太陽的中心在1500萬度K處形成氣泡;矽可以在10億K(10^9)的溫度下通過熔合產生。