宇宙極限速度是299792458米/秒嗎?為何?

2021-01-15 鍾銘聊科學

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。

相關焦點

  • 為何宇宙的「極限速度」,一定是299792458米每秒?
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  • 這就是宇宙極限速度為299792458米/秒的原因
    本文參加百家號科學#了不起的基礎科學#系列徵文我們都知道宇宙的極限速度為299792458米/秒,這個速度是宇宙中任何形式的能量所能達到的絕對最高速度。引力波以這種速度運動,光在真空中以這種速度運動,理論上膠子也以這種速度運動!
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  • 光速為299792458米/秒,假如將其拼湊到300000000米/秒有意義嗎?
    光速每秒三十萬公裡嗎?其實這只是一個近似值而已,我們在計算距離的時候用三十萬公裡其實也沒差多少,但在科學計算的時候卻是1C和1.0007C的區別,前者是光的速度,但後者卻不是一個現實意義中存在的速度!4、雷射技術進步以後,將雷射穩定的波長作為米的基準,精度達到了極高的水平!即使測量地月之間的距離,誤差最多也就幾米而已!因此1983年10月,聯合國度量組織重新將米定義為光在1/299792458秒內走過的距離!二、將光速拼湊到30萬千米有意思嗎?
  • 光速為299792458米/秒,假如將其拼湊到300000000米/秒有意義嗎?
    光速每秒三十萬公裡嗎?其實這只是一個近似值而已,我們在計算距離的時候用三十萬公裡其實也沒差多少,但在科學計算的時候卻是1C和1.0007C的區別,前者是光的速度,但後者卻不是一個現實意義中存在的速度!一、距離的標準單位「米」是怎麼制定的?
  • 光速是299792458米每秒,數字為何這麼奇怪?就不能是整數嗎
    大家都知道光是宇宙中傳播速度最快的。光的速度是多少呢?相信大家都能一口說出來,每秒鐘30萬公裡啊!是的,光速是每秒鐘30萬公裡,但這只是為了方便簡化的一個大約數值。實際上光速的準確數值是299792458米/秒。
  • 光速的準確值為299792458米每秒,為何不取整3億米每秒呢?
    長度單位「米」和時間單位「秒」都是人為定義的,真空光速是宇宙中的一個常數,經過人類定義後剛好為299792458米/秒而已。平常我們說光速為30萬公裡每秒,實際上真空光速的準確值為299792458米/秒,而且這是絕對準確的值,沒有任何四捨五入的小數部分;真空中的光速是不變的,但是真空光速的數值,會隨著長度單位和時間單位的不同而不同,比如換算成英尺大約是983571058英尺/秒。
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    為什麼光速是299792458米每秒而不取整3億米每秒?現在我們知道,光速是一個基本的物理常量,它的數值為299792458米每秒(不過平時都近似取3億米每秒)。但是在17世紀前,天文學家和物理學家都認為光速是無限大的,因為宇宙中恆星的光都是瞬時到達地球的。
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    北京時間7月27日消息,據國外媒體報導,我們都知道光速是每秒299792458米,但光速為何偏偏是這個值、而不是其它數字呢?我們為何又對這種電磁波的速度如此關注?為何光速會成為物理學的重要基石?這都是因為,光速其實頗為古怪。
  • 光速是極限速度,為什麼有人卻說,思維和眼光是超光速的存在?
    光速是極限速度,為什麼有人卻說,思維和眼光是超光速的存在?我們生活當中無論做什麼,和速度都有非常大的關係。使用最多的應該就是在交通行業了,我們乘坐的交通工具速度是多少?隨著科技的發展,交通工具的行駛速度確實變得越來越快,但是對於科學家來說這絕對不是盡頭,因為在目前宇宙當中被認為最快的極限速度是光速。然而截止到目前為止,沒有一個速度是超越光速的,它被認為是宇宙當中最快的速度。
  • 為什麼我們宇宙的光速是299,792,458米/秒,而不是別的什麼數?
    物理學家們可以這樣做,雖然不能再用英尺、米或弗隆作長度單位。這樣做的主要好處是,它可以使方程在論文中更容易閱讀。在現代慣例中,我們用光速和秒來定義米,而不是反過來。你提到的數字是為了確保米的新定義與舊定義完全兼容,而舊定義取決於標準條的長度。宇宙並不要求光速達到299,792,458米/秒。是人類選擇了這個數值。
  • 光速真是宇宙當中,最快的速度嗎?其實它慢如龜速!
    交通工具上我們從最開始的步行到牲畜車輛,再到汽車,火車甚至是飛機火箭,其實我們對速度的追求從未停止過。人類百米賽跑的記錄時9.76秒,我們認為這已經是人類的極限了。我們所創造的能夠跑得最快的汽車可以跑到407km/h,一般民用飛機的速度也就再800km/h上下,人類最快的飛行器飛行速度的極限也就再12km/s。
  • 光速是宇宙中的極限速度?這是事實,我們無法解釋為什麼
    光速是宇宙中的極限速度,而這個速度是指信息和能量的傳播速度。光速最快是人類通過實驗以及理論推導出來的,這就是一種事實,我們無法解釋為什麼。光速,299792458 m/s,一切物質的速度都超不過此值,是自然界存在的最大速度,光速不以參考系的不同而變化,不論你怎麼做怎麼測量,真空光速就是299792458 m/s,不大也不小。以上就是愛因斯坦相對論成立的大前提,假如有一天發現有物體的速度大於光速了,那麼也就是宣告相對論失敗的時候了。
  • 有趣的問題:假如光速變為1米每秒,世界大變樣
    我們知道,到目前為止,光速被認為是宇宙中信息和能量傳遞的最大速度,但不是宇宙的極限速度。只要有質量的物體運動不超過光速,其他超光速行為是可以存在的,比如量子糾纏。我們常說的光速指的是光在真空中一秒前進的距離,光速在真空是299792458 m/s,這是根據真空導磁率和真空電容率算出來的。由於真空光速的恆定,米的定義隨即也改成了光在1/299792458秒內行進的距離。那麼題主假設光速下降為1m/s,那麼首當其衝的就是人類對米的定義要改變了。1米的定義就變成了光在真空中一秒前進的距離。
  • 為什麼1秒是這麼久,1米是這麼長?
    秒和米都是生活中十分常用的基本單位,前者用於度量時間,後者用於度量距離。那麼,為什麼1秒是這麼久的時間?1米是這麼長的距離?1秒的時長古人觀察到,太陽的東升西落非常有規律,太陽連續兩次出現在天頂的時間間隔是一致的,這個間隔就被定義為一天(太陽日)。一天被分為24小時,每小時又分為60分鐘,每分鐘又細分為60秒。所以1秒的長度是一天的1/86400。
  • 光速是速度之最,那為何它是299792458米/秒,而不是其它數字呢?
    我給出的答案不會涉及到具體的數值,因為光速的數值取決於米的定義。如果一米的長度變成現在的兩倍,那麼光速的數值就要除以二。更重要的答案是,真空中的光速是個結構參數。也就是說,它取決於宇宙空間的彈性,如果空間彈性減小,光速也會變慢。這與音速有相似之處,空氣乾燥且溫度為20攝氏度時,音速為343米/秒。如果增加空氣壓力,音速也會加快。
  • 為什麼是速度的極限,不可超越?
    光速是最大速度理論和光速不變理論是愛因斯坦提出的基本假設。愛因斯坦的相對論也正是建立在這假設之上的。愛因斯坦相對論推導出的一些結論,已經得到現代物理學的各種證實(仍然在此前提之下)。從而間接地證明了光速便是極限這一結論。
  • 為何光速會是299792458m/s?
    是的我們確信光速就是299792458m/s你可能會問,這是怎麼算出來的?為什麼我們如此囂張地說我們是百分之百準確的?好吧讓我們來解釋一下但這是難道不是不可能的嗎?因此,我們定義光在一秒鐘內傳播的距離為每秒299792458米。 (就像讀者你將你自己的身高定義為10等)因此,1米的定義是光在1秒內傳播的距離的1 / 299792458。(就像定義一樣,1等就變成了你身高的1/10)現在,下一個明顯的問題應該是,為什麼我們要基於時間測量來定義測量標準。