物質、信息、能量
實際上,宇宙的極限速度並不是299,792,458米/秒(光速),這個速度其實是有針對的對象的,也就是物質、信息、能量。關於這個問題,那為什麼光速是極限速度只針對物質,信息,能量呢?
還是需要從牛頓牛爵爺說起。牛頓在他的著作《自然哲學的數學原理》開篇就對質量做了一個全面的定義。我們可以看一下下圖,就是《自然哲學的數學原理》內容的截圖:
在牛頓理論的框架下,靜止的物體是沒有能量的,只有靜止質量。而且這個質量其實和運動方式是沒有關係的,無論物體咋運動,質量該多少還是多少。
不過,後來麥克斯韋提出了麥克斯韋方程,預言了電磁波。還提出光子是一種電磁波。並且在麥克斯韋的理論體系當中,光速c=1/ε0μ0,ε0是真空介電常數,μ是真空磁導率,這意味著光速是一個固定值。
這就和牛頓的理論發生了一個矛盾,具體來說,對於牛頓體系內的運動物體來說,它是否運動還是靜止,都是需要一個參考系存在的。比如:你在小車上坐著,你相對於小車就是靜止的,而地面觀察者看你就是運動的。但是麥克斯韋方程中的光,似乎是不需要參考系的,意思是,在任何參考下它都是一個速度,那就是光速,也就是299,792,458米/秒。後來,科學家試圖給光速找到一個參考系,但各種實驗做下來,其中就包括大名鼎鼎的麥可孫莫雷實驗,結果就是這個參考系是不存在的。
所以,牛頓和麥克斯韋的理論出現了不可調和的矛盾。而愛因斯坦各接收了兩個理論中的一部分,也就是相對性原理和光速不變原理,提出了狹義相對論。狹義相對論先是統一了「時間」和「空間」,認為這兩個並非是分立的物理量,而應該看成是一體的,稱為時空。愛因斯坦認為,運動的物體是會對時空造成影響。所以,才會有那些奇怪的事情發生,比如:時間膨脹。
比如:尺縮效應,下面分別是0.1倍光速,0.8倍光速,0.95倍光速的情況。
這是愛因斯坦在1905年,也就是史稱愛因斯坦奇蹟年提出來,是當年大的6月30號的時候發表的。
當年愛因斯坦發表4篇劃時代的論文,這是第三篇。在發完第三篇之後,他似乎發現了什麼,於是又補充了一篇,這一篇我們可以叫做質能等價。著名的質能方程也是在這一篇中提出來的。
之前說到愛因斯坦通過光速不變原理和相對性原理統一了「時間」和「空間」,可他隨後又發現,不僅可以統一這兩者,還是統一「質量」和「能量」。
愛因斯坦在這篇論文中,指出物體不僅有靜止質量,還應該有動質量。並且給出了一個相對論質量的表達式,其中m0指的是物體的靜止質量。
從這個表達式當中,我們可以得出這樣的結論,那就是靜止質量不為零,是沒有辦法達到光速的,只能低於光速。
其次,只有靜止質量為零,才可以達到光速,但並不能超過光速。光子的靜止質量就是零,光子的傳播速度就是光速。在自然界中,已知的只有光子和傳遞強力的膠子是靜止質量為零,但是膠子由於夸克禁閉的存在,沒有辦法單獨分離出來。
所以,通過質能等價,我們就可以把光速針對的對象圈定一個範圍,那就是信息,物質和能量。
超光速的現象
而宇宙中不止有信息、物質、能量的存在。實際上,空間的膨脹就不會受到光速的限制。宇宙大爆炸初期,第一秒內發生了很多精彩的事情,其中一件就是「大暴脹」,這個速度特別驚人,在10^-33秒,宇宙的尺寸膨脹了10^26倍。具體來說,就是把但是的宇宙看成一粒沙子那麼大,然後膨脹到可觀測宇宙那麼大,然後再把它看成是一粒沙子那麼大,再膨脹到可觀測宇宙那麼大。可觀測宇宙直徑是930億光年,所以,這個膨脹速度是遠遠超過了光速。不過,這裡要補充,空間膨脹是等比例膨脹,向個方向進行膨脹。
除了宇宙大爆炸初期,其實在距今46億年前,宇宙開始加速膨脹,這是1998年兩個科學家小組通過研究1a超新星(宇宙燈塔)發現的。而且如果以地球為參考系,還是有空間超光速的現象出現的,這其實就意味著,很多星系在未來會淡出我們的觀測範圍。如果加速一直持續,我們未來很可能只能看到銀河系內的恆星了。
最後,我們來總結一下,光速是極限速度針對於物質,信息,能量而言的。宇宙空間膨脹的速度不會受到光速的限制的。