快来看,比火箭还快的速度在这里!

花卉        2019-10-09   来源:豆豆君大世界

当然是光速!这是宇宙中所有物质和信息的极限速度,没有之一,只有之最。光的速度在真空中可以达到每秒约30万千米,想象一下,是不是极快!?以这样的速度到达月球不费吹灰之力。当然对于光速来言,不同的介质会产生不同的限制,但真正的光速依然没有变化。

光速是指光在真空中的传播速度,其精确值为299792458米每秒(约等于30万千米每秒)。它是宇宙中最快的速度,没有之一。根据阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论,它是一种速度的上限值,宇宙中的任何物质能量信息的运行都不能超过这个上限值。有时候,物质、能量或信息似乎会超光速运行,但这只是一种错觉。光在介质中传播的速度变慢,也是一种类似的错觉。

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光从离开太阳表面算起,需大约8分17秒才能到达地球。图:LucasVB

速度的上限

根据狭义相对论,一个静止质量为m和速度为v的物体,其含有的能量由γmc2给出,其中γ是上段文字定义的洛伦兹因子。当v为零时,γ就会等于1,从而得到著名的质能转换公式E=mc2。当v接近c时,γ因子会趋于无穷大,并且需要无穷大的能量才来把具有质量的物体加速到光速。光速是具有正静止质量物体的速度上限,并且单个光子的传播速度不能比光速更快。这是在相对论能量和动量的许多实验中得以证实的结果。

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洛伦兹因子γ作为速率v的函数。因子从1开始,并随着v趋向c而趋向无限大。图:Graph created with KmPlot, edited with Inkscape Trassiorf

更一般地说,信息或能量通常不可能比c传播速度还快。对此的一个论据来自狭义相对论的一种反直觉效应,即相对同时(Relativity of simultaneity)。如果两个事件A和B之间的空间距离大于它们之间的时间间隔乘以c,则存在A先于B、B先于A的参考系、以及它们同时存在的参考系。

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因此,如果某物相对于惯性参照系比c移动得更快,那么相对于另一参照系,它将在时间上向后移动,这样一来将会违反因果关系。在这种参照系中,在其“起因”之前就可以被观察到其“结果”。这种违反因果关系的行为从来没有观测到过,如果有的话,这将会导致一些悖论(Paradox),比如快子电话(Tachyonic antitelephone)。

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在红色参考系中,事件A发生在事件B之前;在绿色参考系中,两者同时发生;在蓝色参考系中,A发生在B之后。图:Army1987 created the original PNG file; Acdx converted it to SVG.

比光速更快的观测和实验

在某些情况下,物质,能量或信息的传播速度似乎比c传播的速度更快,但事实并非如此。例如,在介质部分中光传播的许多波速可以超过c值。 又例如,X射线通过大多数玻璃的相速度通常可以超过c值,但是相速度不能决定光波传递信息的整体速度。

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如果激光束快速扫过一个远处的物体,那么光点的移动速度可能比c更快。然而,唯一移动的物理实体是激光器及其发射的光,其以速度c从激光器传播到光点的不同位置。类似地,投影到远处的物体上的阴影可以在时间延迟之后比c移动得更快。在这些的任何情况下,所有的物质、能量或信息的传播速度都没有超过c值。

在参考系中两个物体之间距离的变化率(它们的闭合速度)可能会超过c值。然而,这并不能代表着在单个惯性系中测量的任何单个物体的速度。

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某些量子效应似乎是瞬时传递的,因此可以比c更快,如EPR悖论(爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬)。一个例子涉及两个粒子可以纠缠的量子态。直到观测到任何一个粒子,它们都以两个量子态的叠加形式存在。如果粒子被分离并且观察到一个粒子的量子状态,则可以瞬时地确定另一个粒子的量子状态(即,比光从一个粒子传播到另一个粒子的速度更快)。然而,当观察第一个粒子时,我们不可以控制第一个粒子的量子态,因此不能以这种方式来进行超光速传输信息。

预测快于光速出现的另一个量子效应被称为哈特曼效应:在某些条件下,不管势垒的厚度如何,虚粒子(Virtual particle)穿越势垒(量子穿隧效应)所需的时间是恒定的。这样的结果可能是导致虚粒子以比光更快的速度穿过大间隙。但是,使用此效果也不能发送任何信息。

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在某些天体中可以看到所谓的超光速运动,例如射电星系和类星体的相对论性喷流(Relativistic jet)。 然而,这些喷流物质的移动速度并不会超过光速:表观上我们所见的超光速运动是由物体在光速附近移动并以小角度接近地球而产生的一种投影效应。因为当喷流距离我们更远时,它所发射的光将会花费更长的时间才能到达地球。因此在地球观测这两束光的时间间隔比它们实际发出的时间间隔更短,喷流的速度也就显得更高。

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在宇宙膨胀的模型中,星系之间相互离得越远,其速度也就越快。这种后退不是由于通过空间的运动,而是由空间本身的膨胀造成的。例如,远离地球的星系似乎正以与其距离成比例的速度远离地球。在称为哈勃球的边界之外,它们与地球的距离增加速率会大于光速。

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光锥是闵可夫斯基时空下能够与一个单一事件通过光速存在因果联系的所有点的集合。图:YanTTO

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