光速并非最快,相比它慢如蜗牛
从古到今,“光”一直是人类了解世界和传递信息的途径之一,每时每刻都有无数道光从宇宙中飞驰而来,让人类得以看到绚丽多彩而又雄伟浩瀚的世界。
然而,“光”带给人类的并不仅仅是纯粹的视觉体验,它还无声地向人类诉说着古老的宇宙规律。得益于对它的深入研究,这才诞生了现代物理学两大基石——相对论和量子力学。
虽然说“光”具有非常神奇的属性,并且对人类的帮助也是巨大的,但这仍难掩其“残酷”的本质,因为按照相对论,光速是宇宙中速度的上限,任何物体的运动速度都无法真正达到光速,甚至它在真空环境下还是一个恒定不变的值。
如此神奇的“光”,其本质究竟是什么呢?物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)经过多年的观察和实验认为光就是一种电磁波,这是人类首次了解到光的本质。
根据他创立的麦克斯韦方程组,人类也第一次真正计算出了光在真空中传播的速度,即299792.458千米/秒。
近百年来,随着人类对宇宙认识的不断加深,浩瀚的宇宙愈发显得遥不可及,因为在如天鹅绒般细腻的宇宙背景映衬下,哪怕是光速也显得像蜗牛一样缓慢。抬头望向深空,那些进入我们眼眸的光束,无不已在深空中急速前行了几亿甚至几十亿年。
正如上面所说的,无论光多么的神奇,也难掩其“残酷”的本质,在光速无法超越的铁律制约下,星际旅行成为一个可望而不可及的梦。
似乎造物主跟人类开了一个玩笑,先让你见识一下宇宙的浩瀚无垠,再反手给宇宙设定一个速度上限。这好比一个盲人好不容易重见光明,还没来得及发出感叹,便被无情地夺去了双腿。
光速有上限这条宇宙“铁律”真的没有办法打破吗?宇宙中真的没有比光速还要快的速度了吗?
在科普力度极大的当下可能很多人都知道,除了银河系以及临近的几个大星系在引力牵引下互相靠拢之外,可观测宇宙整体呈现的是加速膨胀的态势。
如果以地球为基点,那么距离地球越远的星系退行速度越快,在足够远的地方其实退行速度已经超越过光速。
数个研究表明,宇宙膨胀并不存在所谓的“起点”,它具有均匀且各向同性的特定。相信一下,你处于一张由时空编织的超级弹力巨网中心,网的边缘有无数个人正在用完全相等的力拉拽,随着他们不断拉拽你会发现,巨网上放置的一切东西都在远离你,并且离你越远的东西离你而去的速度越快。
怎么衡量物体远离我们的速度呢?此时大名鼎鼎的哈勃常数就派上用场了。目前哈勃常数为每秒70千米/百万秒差距,1百万秒差距是326万光年。
代入刚刚的想象,从巨网中心向远处看去,距离你326万光年的星系正在以70km/s的速度远离你,而距离你652万光年的星系正在以140km/s的速度远离你。按照这样计算下去,当某个星系距离地球140亿光年时,其远离速度就和光速相等了。
目前,可观测宇宙的半径约460亿光年,这就意味着大部分星系发出的光永远也无法落入人类的眼眸,因为它们抛弃地球的速度已经大于光速。
除了退行速度,宇宙诞生之初暴涨阶段的膨胀速度更是惊人。根据现有数据推测,奇点爆炸1秒后,整个宇宙已经膨胀到了10光年大小,1年后变成了10万光年,而短短1万年后就膨胀到了惊人的1000万光年。
倘若有个人手持一把光速枪,想要趁着奇点爆炸的混乱打你一枪,那么他必须在爆炸发生后的10^-33秒之内开枪,这样子弹才能跨越168米的距离,在时空将你推离之前命中你。
不是说光速最快吗,为什么空间膨胀速度能够远超光速呢?难道爱因斯坦的相对论错了吗?当然没有。
事实上,光速最快的概念来源于狭义相对论,它的适用范围仅限于时空平直的惯性系。就像两个物体各以99%光速互相朝相反的方向运动,它们相对于对方的速度其实只有光速的99.995%,而不是198%。
按照广义相对论,速度只有局部空间中才具有意义,而空间本身的膨胀超过光速与相对论并不冲突,所以相对论没有任何错误,它仍然是现代物理学的基石理论。
当然了,与之类似的“超光速”现象还有很多,比如量子纠缠、卡西米尔效应、哈特曼效应等等,他们虽然比光速快,但因为不能传递任何信息和能量,所以也并不违背相对论。
所以从宏观层面来看,光速仍然是宏观宇宙的“王者”,在虫洞或曲率飞船等脑洞没有成为现实的情况下,人类仍然得屈服于它的统治。