快子這種超光速粒子為何不違背愛因斯坦的相對論?

2020-12-04 刁博

很多人都知道,物體的運動速度或者信息的傳遞速度不能超過真空中的光速,這是由愛因斯坦的相對論決定的。根據如下圖所示的相對論質量速度關係式,物體的速度越大,其質量就越大。把一個物體加速到非常接近光速c時,物體的質量就會趨於無窮大。將物體加速到光速c會需要無窮大的能量,這決定了物體的速度不能達到光速。

從相對論誕生至今100多年來,從未發現過有物體的運動速度超過了光速,曾經有幾次認為發現了超過光速運動的粒子,後來均被嚴謹的分析否定。

不過也有理論另闢蹊徑,認為存在一種並不違背相對論的超光速粒子——快子。因為根據相對論的質量速度關係式,物體的運動速度v若是超過了光速c,雖然不存在實數解卻存在虛數解,有科學家認為這個虛數解對應著的就是質量為虛數的超過光速運動的快子。或者說存在另一個宇宙,另一個宇宙中粒子運動的速度是超光速的。在我們的宇宙中,光速是物質運動速度的上限,而快子的宇宙中,光速是物質運動速度的下限。

既然是不同於我們宇宙的另一個宇宙,就意味著很多現象和我們的宇宙截然不同,我們宇宙中不可能存在的現象在那個宇宙中卻是再正常不過的。

如果快子這種超光速粒子真的存在,這種粒子能量最低時的速度為無窮大,隨著能量的增大其速度會逐漸降低,降低到光速時其能量會變得無窮大,光速是其速度下限。

快子的速度可以趨於無窮大,利用這個特點可以實現即時通訊,不必像我們宇宙中這樣有光速限制著信息傳播的最大速度。

從一個坐標系變換到另一個坐標系要用到洛倫茲變換,在快子的世界裡用洛倫茲變換會出現時間倒流的現象,這也是不可能存在於我們的宇宙中的。

儘管數學上可以有解,但並不意味著會真正存在這樣的粒子或宇宙。目前也沒有任何直接或間接的證據表明快子這種超光速粒子的存在。如果有一天真的發現了這種超光速的快子,相對論也並不會因此被推翻,因為快子就是把相對論從實數域推廣到虛數域得出的。

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  • 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!
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  • 量子糾纏和宇宙暴脹都遠超光速,為什麼不違背相對論?
    這就表明真空中的光速是恆定的,不因觀察者的行為改變而改變。後來麥可遜莫雷實驗也證實了這一點。洛倫茲把光速不變作為出發點,把慣性系中的伽利略變換升級成洛倫茲變換,並推導出來了洛倫茲因子。狹義相對論的出發點也是以真空中光速不變作為基本公設,愛因斯坦並且直接引用了洛倫茲因子作為時間膨脹、尺縮效應和質速關係的基本因子。
  • 真空中光速最快?目前已知三種超光速存在,愛因斯坦錯了嗎?
    目前我們就知道好幾個科學上已經承認的超光速案例,這個等下後文再說。愛因斯坦對於光速的準確描述如下:1、一切有靜止質量的物體所能達到的速度極限不能超光速;2、宇宙中信息的傳遞速度不能超光速,但可以等於光速。只要不違背上述的兩條限制,那麼隨便你去超光速,不能說一定可以,但是絕對不違反愛因斯坦的狹義相對論。
  • 超光速粒子找到了?
    「發現」超光速粒子光速是宇宙中速度的極限,沒有任何物質的運動可以超越光速,這是愛因斯坦狹義相對論告訴我們的,這也可以說是奠定現代物理學的一塊基石。假如這個結論被推翻了,那整個現代物理學恐怕就要改寫了。為什麼光的身份這麼特殊呢?不是因為組成光的粒子即光子很常見,而是因為光子的靜止質量為零。目前除了光子,還沒有發現一種別的靜止質量為零的粒子。
  • 量子糾纏速度遠超光速,相對論和量子力學到底哪個有問題?
    假設一個體系是由兩個粒子組成的,描述這個兩粒子體系的函數可以表示成描述各個粒子的函數的積的形式,這個體系的態就是直積態。如果不能表示成描述各個粒子的函數的積的形式,這個體系就處在糾纏態。直積態時,你可以分析粒子a處在什麼態,粒子b處在什麼態;在糾纏態時,你就不能說粒子a怎麼樣粒子b怎麼樣了,只能說整個體系處在什麼狀態。
  • 相對論不允許超光速,那量子糾纏和引力波超光速了嗎?
    在愛因斯坦建立狹義相對論以後,就從狹義相對論裡得到了有質量物體無法通過有限加速達到光速的推論,另外也得出無質量物體必定以光速運動,基於這兩點就能推論出能量和信息傳遞速度也不能超過光速,可以說能量和信息傳遞不能超光速就包含了前面兩個推論,因此通常我們提到狹義相對論不能超光速時,只要理解成能量和信息傳遞不能超光速就可以了
  • 愛因斯坦錯了嗎?十大超光速現象真實存在,推翻愛因斯坦的相對論
    愛因斯坦在1905年首次提出相對論時,幾乎所有同一領域的科學家們都對其冷嘲熱諷並持以反對,稱愛因斯坦為瘋子。因為當沒有人能夠理解愛因斯坦的相對論,不過很多新理論新觀點剛開始都沒辦法讓人理解和接受,最後都會被證明是正確的。