1905年,爱因斯坦提出广为人知的狭义相对论,向我们揭示了宇宙速度的极限——光速。这一理论指出,任何物体及信息的移动速度均无法超越光速这一屏障。
光速,具备一种奇特的性质。对于无静质量的粒子,例如光子与传播强相互作用的胶子,它们一经产生便以光速行进,并且必须如此,无需加速即可达到光速。与此相反,任何拥有静质量的物体,不管怎样努力,都无法触及光速的极限。
其背后的原因在于相对论中的一个核心观点——质速关系。根据这一关系,速度越快,物体的质量就会增加。当一个物体的速度靠近光速时,它的质量将趋于无穷大,而要继续加速,则需要无穷大的能量——这是全宇宙的能量都无法满足的条件。
除此之外,光速的另一奇异特性在于其绝对性。我们日常所谈论的所有速度都是相对的,必须有参照系来界定。然而,光速却不受此限,在任何参照系中都保持恒定不变。换句话说,光速与观测者无关,与物体的运动状态无关,这便是光速不变原理。
例如,就算你以0.99倍光速追逐一道光束,在你眼中,那束光的速度依旧是光速。这样的现象与我们的直觉相悖,但现实就是如此。
于是,问题来了,宇宙中真的不存在速度能够超越光速吗?
答案是:在某些情况下并非如此。狭义相对论所提及的光速限制并不是绝对的。狭义相对论有一个前提条件:惯性系。在这种系统中,物体的速度确实不能超越光速。然而,这并不意味着在非惯性系中速度就不能超越光速。
同时,相对论之所以强调光速限制,主要是为了维护宇宙中的因果关系。在惯性系中超过光速将导致因果关系的崩溃。
因果关系的传递速度为光速,这意味着信息传递的速度不能超过光速。但反过来,如果一个动作不涉及信息传递,它当然可以超过光速。
当我们理解了这些之后,我们继续探讨。实际上,在宇宙中存在至少三种超光速现象。
首先,是在某些介质中的物质传播速度可以超越光速。但这里的光速并非指在真空中的光速,而是在特定介质中的光速。
之所以会有这种情况,是因为光在不同介质中的速度不同。在真空中,光速最大,为每秒30万公里。而在空气或水中,光速则会减慢,例如在水中,光速大约只有真空中光速的75%。
因此,我们可以通过让微观粒子在水中加速,使其速度接近真空中的光速,从而超过水中的光速。这时,会发生一种被称为“切伦科夫辐射”的奇特现象,产生出一种蓝色的辉光。这种现象在核反应堆中经常能够观察到。
其次,是宇宙空间的膨胀速度。宇宙从诞生伊始便在膨胀,且这一膨胀速度超过了光速。天文学家们发现,宇宙的膨胀速度正在加速,背后的推动力是暗能量。
那么,宇宙膨胀速度超过光速,难道违反了爱因斯坦的相对论吗?并没有。因为宇宙膨胀仅涉及空间自身的膨胀,这个过程并不传递任何信息。
宇宙膨胀主要在大尺度上体现,例如星系间的空间膨胀。这意味着,实际上,遥远的星系远离彼此的速度超过了光速,但星系本身并没有移动,移动的只是星系间的空间。
这如同一个持续膨胀的气球,气球上原本有五彩斑斓的点,随着气球的膨胀,这些点间的距离会不断增加,但点本身并未移动。
第三种情况是量子纠缠。量子纠缠是一种发生在两个或多个粒子相互作用后的现象,此时粒子的特性成为整体性质,无法单独描述每个粒子的性质。
理论上,量子纠缠是瞬时发生的,速度远超光速,甚至比光速快上万倍。这意味着,两个纠缠的粒子,无论相隔多远,都能立即感知到彼此状态的变化并做出相应调整。
量子纠缠的神奇之处在于,我们可以这样理解:纠缠中的粒子仍属于同一个系统,或者说是一个“大粒子”,它们可以瞬间相互感知。并且,纠缠中的粒子间这种感知方式并不涉及信息的传递。
我们可以用一副手套作为类比:将一只手套放入一个盒子并密封,另一只放入另一个盒子并密封。打开其中一个盒子,发现是左手套,那么可以立即知道另一个盒子中是右手套,但这个过程中并没有传递任何信息。
当然,这样的例子并不严谨,只是为了便于理解。实际上,纠缠中的两个粒子处于一种叠加状态,它们的状态是不确定的,而当我们进行观测时,它们会从这种叠加态坍缩到一个确定的状态。
而在现实中的两只手套,它们的状态是固定的,只能有一种状态,只是我们不知道罢了。
总的来说,有人可能好奇:为什么宇宙会有光速这样的限制?
我们目前无法给出确切的答案,只能说:大自然就是如此,我们观察的结果就是如此。具体来说,光速被视为四维时空的固有属性。
换句话说,在四维时空内,你永远无法超越光速。如果你真的能够超越光速,那意味着你可能会离开四维时空,进入一个未知的领域——那将是一个全新的话题!