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根据相对论,光速是信息传递的上限速度,那存在比光速更快的速度吗?
光速,速度,宇宙根据相对论,光速是信息传递的上限速度,那存在比光速更快的速度吗?
发布时间:2016-12-08加入收藏来源:互联网点击:
回答于 2019-09-11 08:43:50
在我们的认知里,光速是宇宙中最快的速度,没有任何速度能够超越光速。而这个理论是爱因斯通过相对论得出的。
其中的光速恒定不变”以及”光速不能被超越”已经得到了广大科学家的认可。
根据爱因斯坦的狭义相对论,“c”表示光在真空中的传播速度,如果物体存在质量,那么当这个物体无限接近光速的时候,它的质量也会趋于无穷大,它的能量也会无限趋于无穷大,到这个时候整个宇宙都可能会被摧毁,所以人类无法实现光速或超光速飞行的原因,而光之所以能够达到光速,是因为构成光的光子是没有质量的。
实际上,在宇宙中存在着许多超光速现象。
比如宇宙的膨胀速度,根据哈勃定律(Vf = Hc x D),哈勃常数Hc=67.80±0.77(km/s)/Mpc,我们可以代数计算发现,对于相距144亿光年的两个星系,宇宙膨胀速度导致的退行速度已经达到了光速,由于目前我们的可观测宇宙实际直径大约是930亿光年,所以在我们可观测宇宙两端的星系,远离速度已经超过了光速。
再比如量子纠缠,让甲地的信息可以瞬时传送到乙地,在量子超过空间传输的过程中,通过量子纠缠将甲乙两个粒子发生关联,在甲粒子被测量以后,两地的粒子会瞬间坍塌成各自的本征态,这时候的乙粒子就包含了甲粒子的信息,这种信息传递也是超过光速的。
为什么会这样呢?难道相对论是错的?
我们首先需要明白相对论要求的是有效信息传递速度不能超过光速,宇宙膨胀虽然超过光速,但是并不能用来传递有效信息,由于宇宙膨胀并不能使能量或信息超过光速传递,所以这并没有违背相对论。而量子纠缠是因为量子态的传输不是在我们平常所认为的空间中进行的。
回答于 2019-09-11 08:43:50
牛顿理论
我们在日常生活中的直觉其实更接近于牛顿的理论,这理论描述的是宏观低速状态下的世界,也就是人类所生活这个尺度的世界。在宏观低速下,如果有个人在车上走,如下图这样的情况,车速是10m/s,人在车上行走的速度是5m/s。
那如果有一个地面的观测者,他看到的人行走速度其实应该是:10+5=15m/s。这其实很符合我们物理直觉,在初高中时,老师教的也就这些内容。
爱因斯坦的相对论
但是这个理论在高速状态下,尤其是接近于光速的情况下就开始失效了,或者说误差会变得十分巨大。在19世纪中叶,麦克斯韦在提出著名的麦克斯韦方程时,从这个方程就可以推导出光速,这光速对应的是一个固定值。
也就是说,光速不会受到参考系的影响。如果你坐在车上,手里有个手电筒,这时候朝着车子运动的方向照过去,那地面观测者看到的速度其实还是光速,而牛顿理论的出来则是光速+车速,这就相互矛盾了。后来,科学家试图找很多方式来弥补这个漏洞,但都失败了。
到了1905年,26岁的爱因斯坦基于光速不变原理和相对性原理提出狭义相对论。
在这个理论中,可以推导得到光速就是物质、信息、物质传递的极限速度。那为什么会这样呢?
我们其实可以通过相对论来计算得到,物体运动时的动能情况,就会得到下面的方程。
其中m0是指物体的静止质量,c是光速,v则是物体的运动速度。这个方程告诉我们这么一个道理,随着物体的运动速度加快,所需要给它加速的能量就越大,但逼近光速时,这个能量就需要无限大。其实,我们还可以换个角度来思考,根据相对论,物体运动的越快,质量就越大,所以要给质量大的物体加速其实更难一些,而物体接近于光速时,质量就达到了接近于无限大,那要加速当然就非常难。
那这就意味着宇宙中不存在超光速现象了吗?
超光速事件
实际上,在宇宙中存在着许多超光速现象。那为什么会这样呢?
我们要知道的是,光速的限定是物质、信息、能量而言的。但我们要知道的是宇宙不仅仅只有物质、信息和能量,还有一些其他的,比如:空间。
按照如今的主流理论,宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。
在那次大爆炸之后,宇宙的空间开始剧烈的膨胀,温度开始快速的下降。其中有一段时间被称为暴胀时期。这段时期,我们可以宇宙看成像一粒沙子那么大,然后瞬间膨胀到可观测宇宙那么大,可观测宇宙的直径是930亿光年,然后我们再把这时的宇宙看成粒子沙子,然后再膨胀到可观测宇宙那么大,整个过程宇宙空间变大到原来的10^30倍以上。这个膨胀的速度是远远快过光速。
后来,宇宙进入了减速膨胀的阶段,但是如果你选取任意的一个星球作为参考系,那相对于这个星球而言,宇宙中大部分的空间的退行速度是比光速快的,所以空间的膨胀不受光速的限制。
除了宇宙空间的膨胀,实际上超光速的事件还有很多。
比如:量子纠缠就是一个经常被提及的超光速事件。不过,量子纠缠其实并没有违背相对论。量子纠缠其实是基于叠加态的,如果你先让它们传递信息,那就会破坏叠加态,让叠加态坍缩。一旦叠加态被破坏,那就更无法传递信息了。所以,量子纠缠其实是用来加密的,而不是用来传递信息的。
除了量子纠缠态,其实超光速的还有相速度。那相速度是什么呢?
我们都见过水里的波浪,这种波浪其实存在着一个个环形,也称为波环。
我们可以把波环看成是两组不同传播速度的独立子波。其中波长更长一些的子波传递速度要更快一些,在下图中就是红点所代表的,这个子波的传递速度被叫做相速度。而波长要短一些的子波传递速度要慢一些,也就是下图中的绿点所表示出来的,这个子波的传递速度就被称为群速度。
相速度理论上是可以超越光速的。但是这里我们还是要明确一点,那就是相速度虽然可以超越光速,但实际上它并不传递任何信息,是不违背相对论的。
一直以来,科学家其实也一直在寻找信息、物质、能量超光速的现象,也闹出过几次乌龙,但是始终没有找到一个违背相对论的超光速事件。
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