引言:從上往下運動,事物運動位移越大,其運動速度也越大,若位移無限大、時間無限長,事物能超光速運動嗎?在地球上不可能,黑洞中可以一試。
生活中不知大家是否注意到一個現象:當物體從高處往下掉落時,它的速度會越來越快。為什麼事物在下降過程中不是做勻速運動?這與重力加速度有關,初高中物理課本中提到,地球重力加速度為g,其值為9.8m/s,可近似看作10m/s。另外,結合自由落體公式也可知道,在g一定的情況下,速度v與時間t成正比,速度的平方與位移y成正比。
既然事物下落時間越長、位移越大,其速度便越快,那麼若時間和位移都趨於無窮大,事物的運動速度是否能等於或者超過光速?根據地球情況來看,由於地球重力加速度不到10m/s,哪怕選擇位移差最大的區域,事物也無法被加速至光速,因為加速幅度實在太小了。
在地球內無法將事物加速至光速,那在其他星球上能否實現?遍觀宇宙星體,有科學家注意到了中子星。根據重力加速度公式g=GM/r^2可知,星球重力加速度與星球質量成正比,與事物距星球質心的距離成反比。所以,事物距質心越遠,其重力加速度越小,反之同理。
地球的半徑約是6371公裡,整體結構較為疏散,因此地球重力加速度對事物運動的影響較小。但中子星的情況與地球的截然不同,中子星結構緻密,半徑不超一百公裡,最多是十幾公裡,星球重力加速度對事物運動的影響很大。
中子星上重力加速度對事物運動的影響比地球上的大許多,若是讓一個物體在中子星上做自由落體運動,事物的運動速度有沒有可能達到光速?據科學家測算,當位移差為1米時,若事物以零初速度運動,它掉至地面前一瞬間的速度能達100萬千米/小時,加速效果比地球上的好得多。不過,遺憾的是,雖然事物能在中子星表面快速加速,但它的運動速度無法被提升至光速。
科學家表示,採用遞增法繁瑣而又麻煩,若想快速知曉答案,從逃逸角度思考即可。根據物理學定義,若事物運動速度能達星體逃逸速度,那麼事物能去到距星球無窮遠的區域。換言之,事物在星體內做自由落體運動,其所能擁有的最大速度即是逃逸速度。所以,要知道事物在中子星中能否被加速至於光速,只需計算中子星的逃逸速度。
結合公式及數據進行計算,科學家得到的結果為1.5*10^8m/s,此速度為50%光速,比光速慢得多。所以,在中子星內,不管將物體帶至多高位置,它進行自由落體運動時的速度都不會超出1.5*10^8m/s,也就是說,事物不可能等光速或者超光速運動。
這一結論具有普適性,不僅能應用於中子星,也能運用至其他星體。由此,有研究學者想到,事物之所以無法加速至光速,可能是因為中子星的引力不夠大,那若能找到更大引力天體,是否能使物體光速運動?
說到宇宙中具有更大引力的天體,很多人馬上想到了黑洞,它擁有令所有太空事物畏懼的超強引力。從逃逸速度的角度分析,黑洞的逃逸速度達到了光速。因此,從理論上來說,黑洞內部很可能存在超光速現象。不過,我們對黑洞了解甚少,即便它能助物體加速至光速,我們也不敢靠近它。從實踐角度來看,光速運動仍是奢望。你覺得呢?看到此,你有什麼看法?