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宇宙极限速度是299792458米/秒吗?为何?
光速,速度,宇宙宇宙极限速度是299792458米/秒吗?为何?
发布时间:2019-02-08加入收藏来源:互联网点击:
宇宙极限速度是299792458米/秒吗?为何?
回答于 2019-09-11 08:43:50
回答于 2019-09-11 08:43:50
物质、信息、能量
实际上,宇宙的极限速度并不是299,792,458米/秒(光速),这个速度其实是有针对的对象的,也就是物质、信息、能量。关于这个问题,那为什么光速是极限速度只针对物质,信息,能量呢?
还是需要从牛顿牛爵爷说起。牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》开篇就对质量做了一个全面的定义。我们可以看一下下图,就是《自然哲学的数学原理》内容的截图:
在牛顿理论的框架下,静止的物体是没有能量的,只有静止质量。而且这个质量其实和运动方式是没有关系的,无论物体咋运动,质量该多少还是多少。
不过,后来麦克斯韦提出了麦克斯韦方程,预言了电磁波。还提出光子是一种电磁波。并且在麦克斯韦的理论体系当中,光速c=1/ε0μ0,ε0是真空介电常数,μ是真空磁导率,这意味着光速是一个固定值。
这就和牛顿的理论发生了一个矛盾,具体来说,对于牛顿体系内的运动物体来说,它是否运动还是静止,都是需要一个参考系存在的。比如:你在小车上坐着,你相对于小车就是静止的,而地面观察者看你就是运动的。但是麦克斯韦方程中的光,似乎是不需要参考系的,意思是,在任何参考下它都是一个速度,那就是光速,也就是299,792,458米/秒。后来,科学家试图给光速找到一个参考系,但各种实验做下来,其中就包括大名鼎鼎的迈克尔孙莫雷实验,结果就是这个参考系是不存在的。
所以,牛顿和麦克斯韦的理论出现了不可调和的矛盾。而爱因斯坦各接收了两个理论中的一部分,也就是相对性原理和光速不变原理,提出了狭义相对论。狭义相对论先是统一了“时间”和“空间”,认为这两个并非是分立的物理量,而应该看成是一体的,称为时空。爱因斯坦认为,运动的物体是会对时空造成影响。所以,才会有那些奇怪的事情发生,比如:时间膨胀。
比如:尺缩效应,下面分别是0.1倍光速,0.8倍光速,0.95倍光速的情况。
这是爱因斯坦在1905年,也就是史称爱因斯坦奇迹年提出来,是当年大的6月30号的时候发表的。
当年爱因斯坦发表4篇划时代的论文,这是第三篇。在发完第三篇之后,他似乎发现了什么,于是又补充了一篇,这一篇我们可以叫做质能等价。著名的质能方程也是在这一篇中提出来的。
之前说到爱因斯坦通过光速不变原理和相对性原理统一了“时间”和“空间”,可他随后又发现,不仅可以统一这两者,还是统一“质量”和“能量”。
爱因斯坦在这篇论文中,指出物体不仅有静止质量,还应该有动质量。并且给出了一个相对论质量的表达式,其中m0指的是物体的静止质量。
从这个表达式当中,我们可以得出这样的结论,那就是静止质量不为零,是没有办法达到光速的,只能低于光速。
其次,只有静止质量为零,才可以达到光速,但并不能超过光速。光子的静止质量就是零,光子的传播速度就是光速。在自然界中,已知的只有光子和传递强力的胶子是静止质量为零,但是胶子由于夸克禁闭的存在,没有办法单独分离出来。
所以,通过质能等价,我们就可以把光速针对的对象圈定一个范围,那就是信息,物质和能量。
超光速的现象
而宇宙中不止有信息、物质、能量的存在。实际上,空间的膨胀就不会受到光速的限制。宇宙大爆炸初期,第一秒内发生了很多精彩的事情,其中一件就是“大暴胀”,这个速度特别惊人,在10^-33秒,宇宙的尺寸膨胀了10^26倍。具体来说,就是把但是的宇宙看成一粒沙子那么大,然后膨胀到可观测宇宙那么大,然后再把它看成是一粒沙子那么大,再膨胀到可观测宇宙那么大。可观测宇宙直径是930亿光年,所以,这个膨胀速度是远远超过了光速。不过,这里要补充,空间膨胀是等比例膨胀,向个方向进行膨胀。
除了宇宙大爆炸初期,其实在距今46亿年前,宇宙开始加速膨胀,这是1998年两个科学家小组通过研究1a超新星(宇宙灯塔)发现的。而且如果以地球为参考系,还是有空间超光速的现象出现的,这其实就意味着,很多星系在未来会淡出我们的观测范围。如果加速一直持续,我们未来很可能只能看到银河系内的恒星了。
最后,我们来总结一下,光速是极限速度针对于物质,信息,能量而言的。宇宙空间膨胀的速度不会受到光速的限制的。
回答于 2019-09-11 08:43:50
谢邀。
人们很早就知道光速非常快,甚至猜测光速是无限的。正因为光速极快,早期的物理学家很难精确测出光速。直到激光出现之后,物理学家才较为精确地测出光速。到了1983年,光速直接被定义为299792458米/秒。根据爱因斯坦的相对论,这个速度就是宇宙的极限速度。
那么,为什么光速是速度上限呢?
电子的质量非常低,仅为9.11×10^-31千克。根据牛顿物理学中的动能计算公式:
可以计算出,只要给予超过4.1×10^-14焦耳(相当于一万亿亿分之一度电,或者256千电子伏特)的能量,一个电子就能被加速到光速。并且如果能量不断增加,电子可以被不断加速,使速度远超光速。这么看来,超光速是轻而易举的事情。
然而,无论是在哪个粒子加速器中,即便是当今最为强大的大型强子对撞机,也无法把电子的速度加速到光速或者超光速。此前,物理学家用斯坦福线性加速器(SLAC)做过实验,一个电子经过0.3米的加速后,速度达到了光速的99.5%。然而,再继续经过3.2千米的加速,该电子的速度也只是在小数点后多了6个9,始终没有达到光速。
至于原因,牛顿物理学只适用于低速情况,而在亚光速时,只有相对论才是描述事实的理论。从相对论中,可以导出如下的动能表达式:
可以看到,即便是质量小如电子,当速度无限接近光速之时,电子的动能将会是无穷大。因此,只要有静止质量(m0),速度就不可能达到光速,光速是永远也无法达到的极限速度。而对于没有静质量的物体,光速就是唯一的速度。至于超光速,理论是不允许的。
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