我们都知道,速度并不能无限高,宇宙存在速度极限,那就是光速。任何物体的速度都无法超越光速。问题来了:宇宙为什么有光速限制呢?不限制光速的大小不行吗?

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虽然科学家们知道光速是理论上的宇宙极限速度,但仍旧希望在现实中看看能不能突破光速限制,于是他们做了很多试图“超光速”的实验。在大型粒子对撞机中,赋予微观粒子比如说质子足够高的能量,让其不断加速,最高速度可以达到每秒299,792,455,这个速度与光速每秒299792458米对比,可以说非常接近光速,只相差了每秒3米。

电子的质量比质子更小,可以获得更高的速度,能达到每秒299,792,457.9964米,这个速度无限接近光速了,与光速相比只少了每秒3.6毫米而已。

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你可能会天真的认为:就差这么一点点了,再努力一把不就超过光速了吗?

事实证明,不是“努力一把”的问题,无论如何努力都不可能超过光速,那看似非常小的每秒3.6毫米的差距,其实是人类永远无法突破的鸿沟。当物体的速度无限接近光速时,想要再加速,就需要超级大的能量才行。

还是回到问题中来,光速为何不可超越呢?可以从两方面来解读。

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第一,宇宙中存在“能量阈值”,也就是“GZK极限值”,GZK是三名科学家名字的首字母。通俗来讲,任何微观粒子携带的能量最多只有5乘以10的19次方电子伏特,这就是“能量阈值”,如果超过这个极限,大自然就会干预。

如何干预呢?

我们都知道,宇宙一直在膨胀,所以宇宙中充满了大爆炸后残留的光子,光子会与其他基本粒子发生作用,这个过程会产生π介子,这种粒子会消耗能量,从而让基本粒子携带的能量总是在能量阈值以下。

粒子携带的能量是有限的,所以速度不可能无限高,不能超过光速。

还有一种解释更容易理解,那就是爱因斯坦的狭义相对论诠释。

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狭义相对论可以推导出很多公式,比如说著名的质增公式,物体的速度越快,质量就会越大。当物体的速度无限接近光速时,质量就会变得无限大,如果想要物体继续加速,就需要无限多的能量,宇宙的全部能量都不够用,所以超过光速当然是不可能了。

第三种解释,需要用到四维时空的本质来诠释。光速,更严谨地来讲,并不是字面意思,并不是“光的速度”,因为不仅仅光子的速度是光速,任何不具有静质量的物体以及信息的传播速度都是光速,比如说传播强相互作用的胶子,还有电磁波,引力波的传播速度都是光速。

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实际上,光速是四维时空的固有属性,更深刻的意义在于:宇宙万物无时无刻不以“光速”在运动!

你可能会非常诧异:怎么可能?你刚才还说物体的速度不能达到光速,怎么现在说万物的速度都是光速呢?

这里需要强调一点,平时我们所说的速度,其实指的是空间上的速度,不包括时间上的速度。但是爱因斯坦的相对论告诉我们,时间和空间是有机的整体,两者不可分割,任何把时间和空间分开讨论的行为都没有意义。

所以,如果单独讨论空间上的速度,就失去了意义。我们需要讨论时空上的速度。

刚才所说的“万物都在以光速飞行”,其实就是“万物在四维时空的速度,而不是万物在空间的速度”!

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我们都知道狭义相对论中的时间膨胀效应,速度越快,时间就越慢。理论上分析,速度达到光速,时间就停止了。

这其实就表明了时间速度和空间速度的关系:要想时间维度的速度变慢,空间维度的速度必须很快才行。同理,如果你空间维度的速度很慢,那么时间维度的速度自然就会很快。

速度达到光速是一个极端例子,还有一个极端例子就是速度为零,意味着你是静止的,在空间维度的速度为零,那么你在时间维度就必须“付出代价”,在时间维度的速度就是光速,也就是说你在时间维度以光速飞行!

所以,在四维时空中,你时刻都在以光速飞行。即便一动不动,你仍旧在光速飞行,因为你所谓的静止,只是空间维度的静止,而在时间维度以光速飞行,无情地飞向未来。

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这也是四维时空与三维空间的区别!说白了,时间和空间的关系,就像我们平时计算速度叠加那样,时间和空间速度的叠加一定是光速!

这或许才是光速限制的本质,四维时空限制了光速,只要你在四维时空,就必须遵循光速限制!