在愛因斯坦提出相對論之前,人們對物體速度的認(rèn)知還處于相對局限的階段。
相對論的誕生,讓我們知曉了有質(zhì)量物體的速度存在一個不可逾越的極限 —— 光速。有質(zhì)量的物體,無論通過何種方式加速,都只能無限趨近于光速,卻無法真正達(dá)到。
而那些能夠以光速運(yùn)動的,是諸如光子、膠子、引力子這類沒有質(zhì)量的粒子,以光速運(yùn)動似乎是它們與生俱來的本質(zhì)屬性。
在很多人的認(rèn)知里,光速是一種極其驚人的速度。倘若在地球上擁有這樣的速度,便能夠瞬間抵達(dá)地球的任何角落。
但光速在宇宙的宏大尺度下,是否依然如此之快呢?即便將視野局限在太陽系,光速的確顯得很快。太陽系的光一年就能抵達(dá)一定范圍。
然而,當(dāng)我們將目光投向整個星系,情況就截然不同了。
一個直徑達(dá) 10 萬光年的星系,以光速穿越,竟需要 10 萬年之久。倘若把視野拓展到整個可觀測宇宙,光速更是顯得微不足道,穿越可觀測宇宙需要 930 億年,與宇宙的時間尺度相比,光速仿佛龜速。
由此可見,在廣袤無垠的宇宙面前,光速似乎并不足以支撐我們實現(xiàn)星際航行,難以助力我們真正探索宇宙的奧秘。
這一現(xiàn)實或許會讓許多人對人類探索宇宙的未來感到失望與困惑。畢竟根據(jù)相對論,有質(zhì)量物體的速度上限為無限接近光速。即便未來人類將飛船速度提升至 99.999% 光速,所能探索的宇宙范圍依然十分有限,距離探索整個宇宙的目標(biāo)相去甚遠(yuǎn)。
難道宇宙中真的無法超越光速嗎?事實上并非如此。目前,人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三種超光速現(xiàn)象。
物質(zhì)之所以無法達(dá)到光速,主要源于其動能會隨著速度的增加而不斷增大。
當(dāng)速度無限接近光速時,動能將趨向于無窮大,相應(yīng)地,物質(zhì)的總能量和質(zhì)量也會變得無窮大。這就意味著,要使物質(zhì)達(dá)到光速,需要無窮無盡的能量,而在可觀測宇宙中,這種能量是無法獲取的。
科學(xué)家通過大量的能量實驗,證實了物質(zhì)無法達(dá)到光速這一結(jié)論。目前,人類借助粒子對撞機(jī),已經(jīng)能夠?qū)⒘W蛹铀俚?299792455 米每秒,與真空中的光速相比,僅相差 0.000001%,堪稱極為接近。
盡管物質(zhì)的速度存在極限,但宇宙空間的膨脹并不受此限制。
宇宙起源于奇點(diǎn)大爆炸,在 138 億年前,它僅僅是一個體積無限小、密度無限大的奇點(diǎn)。在某種神秘未知力量的作用下,奇點(diǎn)開始迅速膨脹。從 10??1 秒到 10?3?秒,宇宙經(jīng)歷了短暫而劇烈的爆發(fā)階段。
在這一時期,空間中的真空能量開始衰變成物質(zhì),產(chǎn)生了如今我們所熟知的各種物質(zhì)粒子以及未知的反粒子,這一過程被稱為再加熱期,也是熱大爆炸的開端。
在這個短暫的膨脹階段,宇宙膨脹的速度達(dá)到了驚人的程度:大爆炸后的一秒內(nèi),宇宙的尺度就達(dá)到了 1 光年;一年后,其范圍已涵蓋了銀河系的規(guī)模,這一速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了光速。
自誕生以來,宇宙空間在經(jīng)歷短暫的爆發(fā)式膨脹后,并未停止擴(kuò)張的腳步,反而在持續(xù)加速膨脹。
通過觀測發(fā)現(xiàn),距離我們越遠(yuǎn)的星系,其退行速度就越快。目前的觀測數(shù)據(jù)表明,宇宙的膨脹速度大約為每百萬光年增加 20 公里 / 秒。按照這一速度推算,在距離我們 136 億光年之外的星系空間,正以超光速遠(yuǎn)離地球。由于從地球發(fā)出的光子無法追上這些超光速遠(yuǎn)離的星系,因此我們無法觀測到 138 億光年之外的星系,這也劃定了可觀測宇宙的范圍。
上述兩種超光速現(xiàn)象均源于宇宙空間的膨脹。
但這并不與愛因斯坦的狹義相對論相沖突,因為狹義相對論對速度的限制,僅適用于空間中具有質(zhì)量粒子的運(yùn)動,而宇宙空間本身的膨脹并不受此約束。
相對論原理適用于物質(zhì)世界,而宇宙空間遵循著另一套科學(xué)體系。從理論上來說,宇宙空間的膨脹速度沒有上限,可以遠(yuǎn)超光速。這也為我們提供了一種可能,即通過掌握宇宙空間的奧秘,利用空間的特性實現(xiàn)超光速旅行,蟲洞理論便是基于這一設(shè)想提出的。
在傳統(tǒng)認(rèn)知中,粒子的速度上限為無限接近光速,即使是光子、引力子等無質(zhì)量粒子,也只能以光速運(yùn)動。
然而,量子力學(xué)的發(fā)展,為我們揭示了微觀粒子世界中諸多顛覆宏觀理論的現(xiàn)象,其中最令人驚嘆的當(dāng)屬量子糾纏。
愛因斯坦曾對量子糾纏現(xiàn)象表現(xiàn)出濃厚的興趣,這一現(xiàn)象甚至徹底顛覆了他的世界觀。面對客觀存在的事實,愛因斯坦提出了 “鬼魂般的遠(yuǎn)距離效應(yīng)” 來描述量子糾纏。
在量子力學(xué)中,當(dāng)兩個相互耦合的粒子處于不確定的糾纏態(tài)時,對其中一個粒子進(jìn)行測量,若該粒子的自旋為向上,那么另一個粒子的自旋必然向下。
令人難以置信的是,無論這兩個粒子相隔多遠(yuǎn),這種超距作用始終存在,一個粒子狀態(tài)的確定,會瞬間引發(fā)另一個粒子做出相應(yīng)的變化,這種瞬間反應(yīng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了光速,甚至無法用我們現(xiàn)有的速度理論來解釋。值得注意的是,量子糾纏是純粹發(fā)生在量子系統(tǒng)中的獨(dú)特現(xiàn)象,在經(jīng)典力學(xué)中,尚未發(fā)現(xiàn)類似的效應(yīng)。
盡管我們發(fā)現(xiàn)了這三種超光速現(xiàn)象,但在實際的物質(zhì)世界中,依然需要遵循相對論對速度的限制。
設(shè)想一下,如果某種物質(zhì)的速度超過了光子、膠子、引力子的速度,整個宇宙的秩序可能會陷入混亂,甚至面臨崩潰。這是因為宇宙中存在四種基本力,而光子、膠子、引力子在傳遞這四種基本力的過程中,起到了連接萬物的關(guān)鍵作用。宇宙自誕生之初,就形成了一套穩(wěn)定的物理規(guī)律,這些規(guī)律維持著宇宙的有序運(yùn)行。
目前,人類若想實現(xiàn)超光速穿梭宇宙,或許只能從宇宙空間方面尋找突破。通過空間的扭曲驅(qū)動飛船,實現(xiàn)另一種形式的超光速飛行。其中,蟲洞理論備受科學(xué)家們的關(guān)注與期待。
然而,蟲洞目前還僅僅停留在理論猜想階段,在現(xiàn)實世界中能否真正實現(xiàn),依然是一個未知數(shù) 。
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