光速不變永遠正確嗎?能量高達可見光1萬億倍的光子能突破光速嗎

2020-12-03 關注未來世界

#科學了不起#

愛因斯坦狹義相對論的核心是洛倫茲不變性，它為所有的物理定律提供了基本的、統一的、不變的參考體系。它告訴我們，無論觀察者處於什麼位置，也無論觀察者是靜止的還是快速運動的，所有的物理定律對任意一位觀察者都是正確的。以洛倫茲不變性為基礎，我們就知道光速在真空中是恆定的。

不過，再好的理論也需要實踐來檢驗。更何況除了愛因斯坦狹義相對論之外，還有許多其它的量子引力模型，它們提出了不同的觀點，認為狹義相對論所描述的行為在極高的能量下可能會被打破。有理論認為，假如高能光子的速度超過了光速，或者說違反了洛倫茲不變性，那麼這些光子就突破了狹義相對論的範疇。一旦突破光速，光子就會衰變，可能衰變成幾個低能光子，或者衰變成正電子和電子。為了解決不同理論之間的分歧，探尋世界的真相，物理學家想要通過實驗來研究，在光子能量極高的情況下，洛倫茲不變性還適用嗎？光速還是恆定的嗎？

科學家曾經用人造的高能粒子加速器產生高能量的光子，測量這些光子在真空中的速度，發現無論光子的能量有多高，光速仍然是恆定的，洛倫茲不變性依然是有效的。

在試驗了人類能力範圍內製造的高能量光子之後，科學家開始到宇宙中尋求更高能量的光子，來檢驗洛倫茲不變性。宇宙中一些天體是天然的高能伽馬射線源，能量遠遠超過人造光的極限。科學家一直夢想可以在天文距離的尺度下給洛倫茲不變性來一場更嚴格的檢驗。

科學家在墨西哥的一座高海拔的山頂上建造了一座特別的天文臺——切倫科夫（HAWC）天文臺。它的探測單元佔地約150米見方，布置了300個大型的水箱，每個水箱裡都設置了靈敏度極高的探測器，它們可以探測來自外太空的高能伽馬射線與大氣層的作用。宇宙中的伽馬射線能量極高，有些可以達到可見光的1萬億倍（10 TeV）甚至10萬億倍（100TeV）以上，這樣的高能射線就可以被HAWC探測到。

HAWC研究了銀河系裡4個能量高於100 TeV的伽馬射線源發出的光子流，認為這些光在傳播到地球的途中沒有任何異常的行為，證實這些高能光子依然遵循洛倫茲不變性。這項研究結果發表在近期的《物理評論快報》上。

參考資料：A. Albert et al., Constraints on Lorentz Invariance Violation from HAWC Observations of Gamma Rays above 100 TeV, Phys. Rev. Lett. 124, 131101.

相關焦點

  • 愛因斯坦的光速不變原理是永遠正確的嗎?
    狹義相對論預言，在真空中，無論在什麼情況下，光速都是每秒299791公裡的常數。在迄今為止的所有測量中，這個速度確實是恆定的，即使是在科學家可以用粒子加速器在地球上產生的最高能量水平下。違反洛倫茲不變性可能會導致超高能光比這一最高速度傳播得更快或更慢，而且這種違反可能會產生可觀察到的影響。這些粒子會衰變或分裂，無法到達地球。
  • 光到底是個啥東西,既然光速不可超越,宇宙膨脹超光速了嗎?
    因此，可見光本質是一種處於特定頻段的光子流。光源發出的光，是因為光源中的電子獲得額外能量，並釋放能量的結果。電子獲得的能量如果足夠它躍遷到更外層軌道，剛好填補了所在軌道的空位，就會從激發態到達穩定態。這個時候電子不會釋放能量，因此也就不會產生光；但能量不足以使其躍遷到更外層軌道，到達合適的位置時，電子就會加速運動，並釋放能量；當電子再次躍遷回之前的軌道時，也會釋放能量。不管是電磁波譜哪個頻段，還是可見光頻段，釋放出的能量都是以光子為傳播媒介，光子的特性就是一出生以光速直線運動。
  • 關於光子「本能以光速運動」的相關佯謬
    由當代伽利略式的中國科學英雄，認識到天才電磁理論學家麥克斯韋電磁場方程的缺陷是未能認識到區分電磁波與電磁場；突破物理學權威愛因斯坦的錯誤光物理：「光子本能以光速運動」，更正了大學教科書對洛倫茲力的認識，支持了元子說的「光速運動粒子是光源電子」的光速不變真實物理。光物理的是非問題不會無人關心的！
  • 光子怎樣達到光速
    愛因斯坦根據質能方程E=MC^2和光量子能量公式，粗略推導出光子動質量上限，其表達式為：m=hv/c^2。式中，m代表光子動質量上限，h為普朗克常量，v代表任意電磁波頻率，c為光速。
  • 光子速度為真正的光速 為什麼卻不帶多少能量?
    稍微了解了一些愛因斯坦的理論，許多人一定會有提出這樣的疑問：光子速度為真正的光速，為什麼卻不帶多少能量呢？這個問題其實是對光子性質的提問，想要弄明白的話，就一起來看一看吧。質能方程E=mc，E表示能量，m代表質量，而c則表示光速常量。該方程主要用來解釋核變反應中的質量虧損和計算高能物理中粒子的能量。這也直接導致了德布羅意波和波動力學的誕生。然後根據這個公式又可以推導出質速關係，也就是時間會隨速度增加而變慢，質量變大，長度減小。
  • 光速能超越嗎?光子的速度那麼快,是從哪裡獲得的能量?
    我們知道，速度要快就需要很大的能量，而且動能要很強才行，那麼光子進行光速飛行的動力到底是從哪裡獲得的呢？光子一秒的速度達到了每秒30萬公裡，而且還不會衰減，除非碰到扭曲空間和物質才會發生改變。光子的速度這麼快，到底是從哪裡獲得的能量呢？
  • 光速無法超越，為什麼光出現就能達到光速？
    首先在沒有足夠的證據能夠推翻愛因斯坦提出的相對論理論的前提下，人類是永遠都無法達到或者超越光速的，為什麼會出現這種結果呢？，時間流逝就越慢，而質量的變大所需要的動力就越大，當達到光速的一瞬間物體的質量是無限大的，所需要的能量也是無限大的，這是無法突破的，人類即使科技高度發達，也只能說是無限接近光速，但永遠無法達到光速。
  • 像超音速飛機突破聲波屏障一樣,我們能突破光速來產生光衝擊波嗎
    像超音速飛機突破聲速屏障一樣，我們能突破光速來產生光衝擊波嗎？這取決於您所使用的材料。為了防止東西進入過去，從而保留局部的質量能守恆，從而阻止宇宙瞬間爆炸，沒有任何東西的速度能夠以比在真空中光的傳播速度更快。圖註：超音速飛機在空中突破音速飛行，產生了聲波衝擊波。
  • 是真空光速19倍，1秒570萬公裡？類星體中的超光速現象實際是錯覺
    光，我們每天都有接觸到，沒有光子人類眼睛就看不到任何東西，如同瞎子一般，然而光卻是世界上最讓人難以理解的物質，不僅具有波粒二象性，而且光速還是一個不變常數，每秒299792.458公裡，無論你處在何種狀態中，所看到的光速不變。
  • 是真空光速19倍,1秒570萬公裡?類星體超光速現象實際只是錯覺
    光，我們每天都有接觸到，沒有光子人類眼睛就看不到任何東西，如同瞎子一般，然而光卻是世界上最讓人難以理解的物質，不僅具有波粒二象性，而且光速還是一個不變常數，每秒299792.458公裡，無論你處在何種狀態中，所看到的光速不變。
  • 光子是用什麼「動力」瞬間達到光速的?
    質量之謎 要了解這個問題，我們就得先搞清楚：光和常規的物質之間有什麼區別？ 它們最大的區別就在於：靜止質量。光子的靜止質量為0，而物質的靜止質量並不為0。愛因斯坦通過理論推導就得出一個結論：靜止質量不為0的物質，速度是無法達到光速的。
  • 光速無法超越,為什麼光出現就能達到光速?什麼力量推動光前進?
    宇宙大到超乎我們的相信    想要在動輒以光年為單位的宇宙中穿梭，就必須要掌握至少是亞光速飛行技術，那麼為什麼不說超光速呢？首先在沒有足夠的證據能夠推翻愛因斯坦提出的相對論理論的前提下，人類是永遠都無法達到或者超越光速的，為什麼會出現這種結果呢？
  • 有三種方法可讓光速慢下來,但並不否定光速最快光速恆定的性質
    絕對零度可以把光凍住嗎？當然可以。我們知道現代物理學有兩塊天花板，一塊就是光速極限，這個世界上沒有物質能夠達到和超越光速，一個最小的粒子也不行；還有一塊就是絕對零度，使我們世界理論上的最低溫度，只可意會，不可言傳，也就是不可能達到。這兩塊天花板在目前理論框架下是無法突破的。
  • 光速是最快的嗎？科學家：在宇宙中，光速只能排第5，第1超乎想像
    比如一顆子彈飛行速度若超過了光速，那麼在你看到一個人扣動扳機之前，子彈就已經殺死一個人了，也就是說結果出現在了原因的前面，若這樣的場景出現在你眼前，你還能接受嗎？如果一個物質可以跑得比這三個粒子還快，那麼這三個力都追不上這個物質，怎麼能將這個物質結合在一起呢？宇宙是存在因果規律的，如果物質可以超光速，那麼就違背了該規律，則整個宇宙將完全亂套了，所有的物質將會分崩離析。
  • 光速不可超越,為什麼宇宙膨脹和量子糾纏都比光速快?矛盾嗎?
    光速不可超越源自於愛因斯坦的狹義相對論，狹義相對論認為，任何沒有靜止質量的物體都會以光速進行運動，光子就沒有靜止質量，所以它就以光速運動。而對於擁有靜止質量的物體而言，不論它的質量是多少，都只能無限接近於光速，而不可能達到光速。這是為什麼呢？
  • 為什麼光速是不可超越的?超過了光速,時間就會倒流嗎
    大部分有物理基礎的人都知道光速不可超越原理。光是宇宙中的一種暗物質，它與某些外界能量互動時，會變成肉眼可見的狀態。 我們可以把光當做以太，它如同空氣一樣，無時無刻都存在著，黑暗的空間並非沒有光，而是由於沒有外部能量的激發，暗物質處於肉眼觀測不到、不可見的一種狀態。
  • 還認為宇宙中光速最快？醒醒吧，這四個速度遠超光速
    那麼未來我們加大磁場、加大環形對撞機的半徑，是不是就可以達到光速，甚至超過光速呢？其實接近光速很簡單，這就看你怎麼接近了，最後那一點點往往是無法突破的。你看，黑洞的能量大吧，它是宇宙中的怪獸，磁場強度是對撞機的一萬億倍。
  • 還認為宇宙中光速最快?醒醒吧,這四個速度遠超光速
    這是因為質量和能量是等效的，質量只是能量的一種不同的表現形式，一個物體的所包含的能量分為：靜止能量（E=mcd^2）和動能。當你給一個粒子開始加速的時候，隨著速度的增加，它所擁有的動能就會增加，當無限接近的光速的時候，動能也會變的無限大。
  • 還認為宇宙中光速最快，醒醒吧，這四個速度遠超光速
    那麼未來我們加大磁場、加大環形對撞機的半徑，是不是就可以達到光速，甚至超過光速呢？其實接近光速很簡單，這就看你怎麼接近了，最後那一點點往往是無法突破的。你看，黑洞的能量大吧，它是宇宙中的怪獸，磁場強度是對撞機的一萬億倍。
  • 如果出現超光速物質，整個世界將完全顛覆，你相信它存在嗎？
    愛因斯坦的真空光速極限是說光速在我們世界是傳輸最快的物質，這個物質就是光子，光速是光子運動的本質屬性，它生來就是以光速運動。光子沒有靜質量，但有動質量，光子能夠傳遞信息和能量。因此，光速極限是指任何有靜質量的物質都無法達到光速，更不能超過光速。這個理論人們試錯了100年，都沒有找到一例反證，所有的觀測和實驗數據都支持這個理論。