在愛因斯坦提出相對論之前,人們對物體速度的認知還處于相對局限的階段。
相對論的誕生,讓我們知曉了有質量物體的速度存在一個不可逾越的極限 —— 光速。有質量的物體,無論通過何種方式加速,都只能無限趨近于光速,卻無法真正達到。
而那些能夠以光速運動的,是諸如光子、膠子、引力子這類沒有質量的粒子,以光速運動似乎是它們與生俱來的本質屬性。
在很多人的認知里,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一定范圍。
然而,當我們將目光投向整個星系,情況就截然不同了。
一個直徑達 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星際航行,難以助力我們真正探索宇宙的奧秘。
這一現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。畢竟根據相對論,有質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相去甚遠。
難道宇宙中真的無法超越光速嗎?事實上并非如此。目前,人類已經發現了三種超光速現象。
物質之所以無法達到光速,主要源于其動能會隨著速度的增加而不斷增大。
當速度無限接近光速時,動能將趨向于無窮大,相應地,物質的總能量和質量也會變得無窮大。這就意味著,要使物質達到光速,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。
科學家通過大量的能量實驗,證實了物質無法達到光速這一結論。目前,人類借助粒子對撞機,已經能夠將粒子加速到 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。在某種神秘未知力量的作用下,奇點開始迅速膨脹。從 10??1 秒到 10?3?秒,宇宙經歷了短暫而劇烈的爆發階段。
在這一時期,空間中的真空能量開始衰變成物質,產生了如今我們所熟知的各種物質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,宇宙膨脹的速度達到了驚人的程度:大爆炸后的一秒內,宇宙的尺度就達到了 1 光年;一年后,其范圍已涵蓋了銀河系的規模,這一速度遠遠超越了光速。
自誕生以來,宇宙空間在經歷短暫的爆發式膨脹后,并未停止擴張的腳步,反而在持續加速膨脹。
通過觀測發現,距離我們越遠的星系,其退行速度就越快。目前的觀測數據表明,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,正以超光速遠離地球。由于從地球發出的光子無法追上這些超光速遠離的星系,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量粒子的運動,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世界,而宇宙空間遵循著另一套科學體系。從理論上來說,宇宙空間的膨脹速度沒有上限,可以遠超光速。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超光速旅行,蟲洞理論便是基于這一設想提出的。
在傳統認知中,粒子的速度上限為無限接近光速,即使是光子、引力子等無質量粒子,也只能以光速運動。
然而,量子力學的發展,為我們揭示了微觀粒子世界中諸多顛覆宏觀理論的現象,其中最令人驚嘆的當屬量子糾纏。
愛因斯坦曾對量子糾纏現象表現出濃厚的興趣,這一現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 “鬼魂般的遠距離效應” 來描述量子糾纏。
在量子力學中,當兩個相互耦合的粒子處于不確定的糾纏態時,對其中一個粒子進行測量,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,這種超距作用始終存在,一個粒子狀態的確定,會瞬間引發另一個粒子做出相應的變化,這種瞬間反應的速度遠遠超越了光速,甚至無法用我們現有的速度理論來解釋。值得注意的是,量子糾纏是純粹發生在量子系統中的獨特現象,在經典力學中,尚未發現類似的效應。
盡管我們發現了這三種超光速現象,但在實際的物質世界中,依然需要遵循相對論對速度的限制。
設想一下,如果某種物質的速度超過了光子、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鍵作用。宇宙自誕生之初,就形成了一套穩定的物理規律,這些規律維持著宇宙的有序運行。
目前,人類若想實現超光速穿梭宇宙,或許只能從宇宙空間方面尋找突破。通過空間的扭曲驅動飛船,實現另一種形式的超光速飛行。其中,蟲洞理論備受科學家們的關注與期待。
然而,蟲洞目前還僅僅停留在理論猜想階段,在現實世界中能否真正實現,依然是一個未知數 。
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