光速无法超越是宇宙铁律吗?
随着人类文明社会的进步与发展,交通工具在千百年间发生了巨大的改变。一开始人类只能步行,驯服了牛、马、骆驼等动物以后,人类出行就有了座驾。后来瓦特发明了蒸汽机,人类步入工业时代,马车也被蒸汽火车所代替。
再后来,燃油驱动的车辆占据了主流市场。当今社会交通工具更是多种多样,汽车、飞机、轮船等各种形式的交通工具让人类的足迹几乎踏遍地球的每个角落。
但不论人类创造出的交通工具有多先进,有种速度人类至今无法突破,那就是光速。哪怕人类发明的用于探索宇宙的火箭或者探测器,速度也依然无法超越光速。
那么光速永远无法超越是宇宙铁律吗?答案是否定的。因为在宇宙膨胀速度面前,光速和蜗牛行进的速度一样慢。宇宙中还存在着多种超光速的现象。而且人类也在努力探索超越光速的方法。
人类创造的速度
速度是人类在社会进步中不断追求的事情之一。古时候各国建立烽火台,为的就是能够以更快的速度传递军情。现代人类研究出了火箭发射器、卫星探测器,让它们的速度摆脱了地心引力,将人类的征途扩大到了宇宙的范围。
原始人类为了生存,需要跑得更快才能捕猎到动物,需要跑得更快,才能在食肉动物的虎口下逃生。当今社会人类虽然不需要通过跑步来求生,但人类也在不断挑战跑步速度来突破胜利极限。
2021年8月1日的东京奥运会上,苏炳添以9.83秒的成绩刷新了黄种人百米田径的最高速度,成为了所有黄色人种的骄傲。不过,目前百米速度最快的记录创造者依然是尤塞恩·博尔特创造的。
在2009年8月17日的德国柏林田径世锦赛上,博尔特以9.58秒的速度创下人类跑步速度的奇迹。在这12年里无数人向着这个目标冲刺,但均以失败告终。
人类并不是天生的奔跑能手,所以最高时速并不能维持很久。即便是速度最快的马拉松选手的,在几十公里长的距离下,最快的速度也不过是20千米/小时。
自然界中的生物都能轻松碾压人类的速度极限。比如,猎豹、羚羊、狮子和狗的速度分别能够达到70、60、55、45千米/小时左右。哪怕是体型很小的猫,速度也在30千米/小时左右。但也不是所有生物都比人类跑得快,比如蜗牛的最高时速就只有0.03千米/小时。
虽然人类的移动速度慢,但科技发展速度绝对是碾压地球其他任何生物。因为速度这个概念就是人类提出并计算出的,而且人类通过测算发现了最快的速度:光速。也知道了不论生物移动的速度多快,都不可能超过光速这条不可逾越的事实。
光速有多快?
光速是指光在真空中传播的速率,精确值为299 792 458 m/s。根据爱因斯坦提出的狭义相对论,人们认为光速是物体发生移动、信息传递过程中所能达到的极限速度。
飞机的速度可以达到2500千米/小时,不到光速的十万分之一。导弹的速度可以达到10000千米/小时,不及光速的万分之一。即便是能够脱离地心引力的火箭,速度也很难对光速望其项背。目前人类制造出速度最快的物体是帕克探测器,它的最高速度可以达到192千米/秒。它能飞这么快,有很大一部分原因是受到了太阳引力的影响。即便帕克探测器的速度如此之快,依然不到光速的千分之一。
光速有多快?地球到月球的距离大约有384400千米,如果用光速从地球出发抵达月球只需要1.255秒钟。地球到火星的距离大约有54600000千米,如果从地球出发抵达火星只需要3分零2秒。地球距离太阳的路程则更远,所以从地球出发抵达太阳需要8分钟左右的时间。
因为光速是一个精确值,而且也是一个物理常数,所以经常被用于天文、地理等多个领域。比如光年就是光传播了一年的长度,大约是9.461万亿公里,是很常用的天文距离。比如包裹着太阳系的奥尔特星云直径大约有2光年,银河系的直径大约有10000光年。
令光速看似慢如蜗牛的宇宙膨胀
光速无法超越只是在狭义相对论的范畴内。在茫茫宇宙中,光速无法超越并不是一条铁律。因为宇宙中有很多现象是超光速的存在,其中已知的、最著名的现象就是宇宙膨胀。
如果说宇宙膨胀速度像是人类的百米冲刺,那光速和它相比,真的是慢如蜗牛。我们知道宇宙来源于一场大爆炸,而且这场大爆炸造成的影响还在不断持续,宇宙膨胀就是宇宙大爆炸现象的持续。
如果把宇宙比作一个生面团,里面的天体就是镶嵌在其中的糖粒。宇宙膨胀就像是面团发酵,面团在发酵过程中越来越大,糖粒与糖粒的距离也变得越来越大。在宇宙膨胀的影响下,宇宙中的天体、星云、星系距离越来越远,而且宇宙膨胀的速度还在不断提升。
天文学家测算到了宇宙中其他星系远离地球的速度,并且将这个常数起名为哈勃常数。目前我们认为哈勃常数是每秒70千米/百万秒的差距。这句话的意思是:以宇宙中心为起点,326万光年外的星系和天体正在以252000千米/小时的速度离我们远去。
如果一个星系距离银河系140亿光年以上,它离开我们的速度就已经大于光速。如果用光速来观测宇宙,我们能看到的宇宙范围直径只有920亿光年。但是这个范围内的星系还在宇宙膨胀的影响下不断远离我们,很多星系在我们还没有来得及观测的时候,就永远消失在了人类的视野内。
宇宙中心140亿光年以外的地方膨胀速度已经超过了光速,920亿光年以外的膨胀速度更是快到难以估量,所以我们才说宇宙膨胀速度把光速衬托得慢如蜗牛。但是除了宇宙膨胀以外,还有其它的超光速现象存在。
超光速现象
超光速顾名思义就是一种比光速还快的概念。在物理学中,光速很多速率是上限,但在天文观测领域,超光速现象不是个例。
第一种现象是量子纠缠,它也叫做量子缠结。在量子力学里,几个粒子互相作用以后,个体特性变成了整体特性,没有办法分辨出个体的性质,这种现象就是量子纠缠。
第二种现象是光爆。它是人类唯一可以观察到的超光速现象。光爆一般只能在有介质的状态下发生。高速运动的物体在介质中运动的速度超过光速在这种介质内的相对速度以后,就会产生光爆。光爆还会引起剧烈的震动叠加,从而变成弓形震波。弓形震波会以紫外辐射的形式放射,形成肉眼可见的淡蓝色光芒。
第三种现象是类星体辐射源分离。类星体是宇宙中的一种天体,蕴含的能量极大。类星体能以无线电波、光线、X射线等多种方式,向外输出巨大的能量。
距离地球最近的类星体是24.4亿光年外的3C 273,它位于室女座。3C 273是人类通过普通光学望远镜就能看到的、距离人类最遥远的天体。科学家发现,3C 273内部有两个彼此分离的辐射源,就像是地球上的南北极一样,两个辐射源相对存在。这两个辐射源正在以288万千米/秒的速度互相远离。
第四种现象是虫洞。虫洞也叫时空洞,这个概念最早在1916年就被奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出。1930年,虫洞的概念被爱因斯坦进一步研究,并且研究出的结果被世人广为了解。
人类如何超越光速?
虽然光速极快,但是人类也发现了超光速的存在。那么人类有没有机会超越光速呢?答案是个未知数。目前人类可以考虑利用曲速引擎突破光速。
曲速引擎的原理是用暗物质能量堆砌出一个气泡,然后把飞船包裹在其中。飞船前面的时空缩小,飞船后面的时空膨胀。这时飞船周围的空间已经发生了弯曲,就会推动气泡和飞船在时空中穿行。曲速引擎一旦可以被人类有效利用,以后想要抵达太阳系的其他行星只需要几个小时。
曲速引擎的远离概念有点像海上冲浪。人在海浪上冲浪的时候,人和滑板是站在浪尖上没有驱动力量的,但是海浪层层变化推动了人和滑板快速前进。曲速引擎运用下的飞船和气泡也是不动的,但是气泡前后空间变化形成了超光速空间流,在无形中推动了飞船快速前进。
研究这项技术最大的难点在于作为燃料暗物质。因为人类目前对曲速引擎技术掌握层面停留在构思中,如何、捕获并且利用暗物质仍然是个谜。等人类真的研究出暗物质的利用,时空穿梭也就不在话下了。
科技进步改变人类认知
从第一次测量出光速到现在发现数个超光速现象,这些事情发生的时间相距不到两个世纪。现在的科学技术水平更是在发达的人类文明下日新月异。人类探索出宇宙的奥秘就像是找到了一把锁,真正解决这个难题就像是找到了钥匙。想想我们找到锁的时间如此短暂,相信找到钥匙的时间就在不远的未来。