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光速真的是我们宇宙的极限速度吗?
光速,速度,宇宙光速真的是我们宇宙的极限速度吗?
发布时间:2019-02-08加入收藏来源:互联网点击:
在伽利略的这次实验之后,丹麦的物理学家罗默测量木卫一在绕行木星时被遮挡后再次出现的时间要比计算的值迟一些,由此罗默推测出光速的数值大概在20万公里每秒以上,直到此时,关于光速的速度算是有一个确定的数值了。
几十年过去了,英国的物理学家詹姆斯·布拉德利第一次测出了光速更为精确的数值,这个值是301000km/s,与现在的数值299792km/s已经非常的接近了。
在19世纪有一个著名的实验,名叫迈克尔逊莫雷实验,这个名字大家可能并不陌生,本来这个实验是为了确定之前人们认为的以太到底存在与否,但是实验并没有验证到以太存在,反而揭示了光速是不变的,由此,这个没有实验结果的实验却获得了诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦的狭义相对论的建立也是受到了这次实验的启发,既然验证以太没有结果,索性就剔除以太,假设光速是不变的,提出狭义相对论。
并且由狭义相对论却得到了另一个结果就是凡是有静止质量的物体都不可能达到光速,因为速度越快,其相对论质量越大,越接近光速,其质量就越接近于无穷大,加速它也就需要无穷大的能量,这是不可能的事情。
在这里我们先不讨论量子纠缠系统中的感应速度,也不考虑宇宙膨胀的速度,因为这俩个并没有传递任何有效信息,因此并不违背相对论。
光速确实是宇宙的极限速度,是一切具有静止质量的物质所不可能达到的速度,光子没有静质量,所以它生来就是光速。
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回答于 2019-09-11 08:43:50
光速并不是我们宇宙的极限速度,因为量子纠缠和宇宙空间的膨胀速度已经被证明是超光速现象了。
单纯将光速当做我们宇宙的极限速度是不精确的,正确表述应该是两句话,分别是:“在我们宇宙中任何静止质量大于零的物体运动速度都无法达到和超过光速”和“在我们宇宙中信息传递速度不能超过光速”
人类对于光速的认知是曲折的,早期的亚里士多德认为光传播是不需要时间的,而后来的物理学家罗默在测量木卫一时发现实际情况和理论计算出现了不吻合现象,罗默由此意识到光传播是需要一定时间的,他估计光速在每秒20万公里左右,这一结果虽然和真实光速有很大偏差,但已经很了不起了。
时间荏苒到1887年,物理学家迈克尔逊和莫雷在寻找“以太”的过程中发现了光速在任何情况下都是不变的,由此人类知道了光速就是我们宇宙的极限速度。
爱因斯坦在光速不变的基础建立了狭义相对论,其中的重点就是“速度越快质量越大时间越慢”,任何有静止质量的物体在加速过程中质量都会增加,因此想要把一个有静止质量的物体加速到光速的话就需要无限大的能量才行。
然而光速不可被超越只针对宇宙空间内静止质量不为零的物体,对于宇宙空间本身是超光速膨胀却并无约束力,对于不传递信息的量子纠缠现象也没有约束力。
回答于 2019-09-11 08:43:50
准确的说,光速常量c确实是我们宇宙的物理极限的速度。注意,光速常量并不是任何光的速度,其定义是真空中光的速度(299792458米/秒)——实际上,这也只是一个选择了最佳描述对象的定义方式,就像用米原尺定义了“米”这个国际单位一样。光速常量(简称“光速”)是我们时空的内在性质,它并不因光的速度改变而改变。只是真空中的光的速度恰恰表现了时空的这个性质,因此我们借用了真空中的光速来描述这个性质。这一点需要先理解。
光速是时空的结构
光速这个极限因此是受到宇宙时空的内在结构特征的限制的,在爱因斯坦广义相对论场方程当中就体现为度规张量中的光速项。
上图:闵可夫斯基度规张量,左上角的这一项定义了时间与空间的关系是以光速作为基本因子(这里负的c平方,是源于此张量的多项式展开形式全都带有平方)。
实际上此式是求时空中一点相对于原点的距离。
闵可夫斯基度规所描述的是一个理想的平直和静态的时空,平直是因为改时空没有引力扭曲,静态是该时空也没有暗能量,不会因引力收缩,也不会因暗能量膨胀。这个时空的一大特点就是空间与时空之间有一个光速常数因子的关系,也就是说或一秒钟大约等于299792458米。
宇宙膨胀带来的“超光速”情况
但这不是我们实际的时空,因为根据观察我们所处的时空有引力(牛顿发现的),会膨胀(哈勃发现的)。
虽然有这些瑕疵,但物理上的光速极限还是不变的,因此爱因斯坦在狭义相对论当中称的“光速不变性”并不会在广义相对论中失效,而广义相对论“无心插柳”地描述了暗能量。
暗能量能够让时空的度规膨胀,这甚至会造成遥远的星系以超光速远离我们。但这并不构成对“光速不变性”的违反。因此在天文学上出现了“共动速度”这一术语,用来描述时空膨胀带来的加成速度。
上图:因时空膨胀带来的“共动”示意。
逻辑超光速也是可能的
如果两个物体以超光速背向飞行他们超光速了吗?
答案是:
对这两个物体彼此来说,它们彼此观察到对方的速度是不会超光速的,这是典型的狭义相对论当中的相对速度问题,他们看到的对方的速度必需要乘以一个洛伦兹因子,这下就被限定在了光速的范围内。
上图:洛伦兹因子-速度曲线,把速度永恒限制在c以内,这个曲线也可以看成我们时空的形状。
对于第三方的观察者来说,这两个物体的相对“逻辑”速度是超光速的,简单计算一下就是他们之间的相对速度应该是2C,这一点没错,也没有违反狭义相对论,但这实际上是观察者的逻辑认识,跟相对论没关系。总之任何一个物体相对观察者的速度都是不可能超光速的。
所以只要区别好上面提到的“逻辑超光速”和“物理不能超光速”的含义,就不会懵圈了。
所以光速算是我们宇宙在狭义相对论提下物体自体运动的极限速度,但在宇宙膨胀的“共动”作用下,某种速度极限的含义需要重新修订一下。
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