光速为何无法被超越,其中的根本原因是什么?
光速一直以来都是一个老生常谈的话题,我们也会经常在科幻电影中看到利用虫洞或其他技术让飞船实现亚光速飞行进行星际旅行,不过以目前的科学理论来说,这些科幻技术是不可能实现的。
光速每秒299792458米,是宇宙中物质运动速度的上限,而光速不可超越则是出自于爱因斯坦的狭义相对论。在狭义相对论中提到:有质量的物体是不可能超越光速的,只能无限地接近光速,却永远都无法达到光速。
狭义相对论。
首先从要从爱因斯坦的质能方程E=mc²说起。在此方程中,物质的质量m和能量E是等价的,即物质的质量越大,其能量也就越大,同时也意味着物质所含能量越大,那它的质量也就越大,这也就是说当速度越来越接近光速的时候,质量将会增加。
当一艘飞船以90%的光速飞行,那它此时的质量是飞船相对静止时的两倍,并且还意味着其引擎也要加倍输出才能使飞船加速前进。
即一个物体的运动速度越大,其质量就会越大,那么维持其高速运行时所需的能量也就越大,当物体接近光速时,其维持接近光速运动的能量就趋近于无穷大,也就是质增效应,因此物体不可能达到光速。
其实从这个公式中,我们也可以发现,当物体的速度v为光速的时候,代入公式,分母为0,在数学中,这种情况下代表的是无穷大,也就是说这个时候,物体的质量是无穷大。
而当物体的速度超过了光速,根号里面的值就变成了复数,分母中的结果会产生虚数,而实际中,虚数的存在是没有实际意义的,因此不允许物体超过光速。
那为什么光可以达到光速呢?
光具有波粒二象性,从波的角度来看,光子具有两种可能的偏振态和三个正交的波矢分量,决定了它的波长和传播方向;
而从粒子的角度来看,光子静止质量为零,电荷为零,半衰期无限长。在相对论中,光子由于无法静止,所以它没有静止质量,只具有相对论质量(动质量),因此光子能够以光速运行主要是因为其静止质量为零。
但宇宙中也存在着一些超光速现象,并且也没有违背相对论,因为在相对论所中描述的”光速不能被超越”有个前提条件,那就是有质量的物质不能达到光速。
一、量子纠缠
指的是“A”和“B”两个粒子互为纠缠状态,如果将这两个粒子放置在相距几百亿光年的宇宙两端,只要A做了一个动作,B则会和A同步做相同的动作,反之亦然,这种信息传递被科学界认为是超光速的。
二、宇宙膨胀速度
根据当前的主流理论,宇宙来源于138亿年前的一场大爆炸,但我们目前可观测的宇宙半径为460亿光年,也就是说在过去的138亿年中,宇宙至少膨胀了460亿光年,这样计算的话,宇宙膨胀的速度至少为光速的3倍多。考虑到宇宙的实际大小还要远大于930亿光年,所以宇宙膨胀的速度还要快的多。
三、虫洞理论
虫洞(爱因斯坦—罗森桥)在上世纪30年代由爱因斯坦提出存在于宇宙之间一种连接两个不同宇宙时空的便捷通道,科学家也都对此抱有很浓厚的兴趣,因为虫洞可以作为“超光速”星际旅行的一种方式,而且虫洞理论也并没有违背相对论,因为它是通过改变空间结构来实现超光速的。
目前人类所创造的速度极限是由粒子对撞机中实现的,粒子加速器的原理是利用电场加速粒子,使用磁场将带电粒子控制在加速环中加速,即磁场、加速环越大,粒子获得的能量也越高。
在实验室内,大型强子对撞机中质子获得的能量是6.5 TeV,速度已经达到了0.9999999896c,299,792,455 m / s,而一个电子要比质子轻1836倍。
人类有史以来最快的加速粒子是在LEP电子对撞机中实现的,其获得的能量为104.5GeV,速度达到了0.999999999988c,299,792,457.9964m/s,仅仅比真空中的光慢3.6毫米/秒。
总结
在爱因斯坦的狭义相对论中所提到的光速不可超越,指的是任何有质量的物体都不可能在真空中达到光速,即光速是物质运动速度的极限,而非物质世界的速度并不受光速影响。如今,人类在宇宙中所发现的超光速现象其实都是与空间有关,并不违背相对论。