光速是不是已知的最快速度?速度極限是多少?帶你感受速度的世界

2022年10月03日04:33:03 科學 1034

光速到底有多快?上一秒你在地球上看日出,下一秒就在月球軌道附近,而人類的探測器去月球軌道要100多個小時。

如果人類以光速飛行,從1977年發射旅行者號算起,我們已經航行了40多光年的距離了。

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地球與太陽光

但是這或許只是白日做夢,人類製造出來的速度最快也是只無限逼近光速,完成這項壯舉的是粒子,不是宏觀的物體。

那麼,宇宙中有比光速還快的速度嗎?速度的最大極限是多少?

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光速飛行

光速

人類很早就意識到了光的重要性,早在遠古時期,沒有太陽的日子人們會覺得天塌下來了,於是紛紛把太陽作為自己的圖騰古埃及瑪雅文明以及我國的三星堆文明都將太陽視為自己的信仰。

人們第一次深入認識光是牛頓三稜鏡製造出第一條人造彩虹,那一刻牛頓才知道,光居然是一種「混合物」

牛頓還認為光是七色粒子組成的,出現彩虹是因為粒子落到了不同的區域。

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三稜鏡與彩虹

另一位研究彈簧的科學家胡克則認為,光是一種波,它可以拉伸、縮短,出現七色光實際上就是因為它們被不同程度拉伸了

牛頓和胡克其實都對了,但是沒有完全對,二者結合起來才是真的光,既有粒子的特性,也有波的特性,這叫波粒二象性

既然光是一種一種波,那麼這個波是有速度、頻率、波長的,之後科學家們對光進行了徹徹底底的分析。

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當光照射過來

其實早在1676年就有天文學家奧勒·羅默發現光的速度非常快,飛行9000英里的距離只需要1秒鐘左右。

這個時期人們對光的性質還沒有定性,以巴黎天文台為首的科學家反對它的光速理論,但是奧勒·羅默獲得了牛頓等科學家們的支持

也正是從這以後,光速很快的概念深入到了每一個物理學家的心中。

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第一個測量光速的奧勒·羅默

而真正讓光速成為王道速度的人是愛因斯坦,他指出無論在哪個體系中,光速都是不變的。

愛因斯坦的理論誕生一個新的概念——時空現代的穿越劇祖師爺非他莫屬,沒有愛神的相對論,所有穿越劇都沒有科幻理論支持,容易讓人覺得假。

可是一旦引入愛因斯坦的理論,那麼無論什麼穿越都變得合情合理起來

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愛因斯坦和他的質能方程

在愛因斯坦大神的時空觀裡面,達到光速98%其實就已經可以穿越時空,看到過去發生的事情。

同時,愛因斯坦根據自己方程式的變化式子得出結論,沒有物質能夠超越光速,我們如果想要達到光速,就得付出質量無限大的代價,很顯然宇宙沒有無限大的物質。

那麼,人類真的不能超越光速嗎?

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人類設想的曲率引擎

難以超越

人類是宏觀物質,不但超過不了光速,甚至連達到光速的1%都很困難,真正接近光速的是那些微觀粒子

利用電場給帶電粒子加速,讓它們達到更快的速度,並利用磁場控制它們的運行軌跡,最終達到想要的效果。

人類加速的最快粒子速度無限逼近光速的99.99%始終無法真正成為光速,而最快的宏觀飛行器是帕克太陽探測器,最快速度是72萬公里/小時,這個速度,真的是連光速的尾氣都看不到

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粒子加速器

而且,就算人類真的達到了光速,想要探索宇宙也是很困難的,因為人類還有一個問題難以克服,那就是時間。

宇宙中的距離已經無法用常見的千米來測量,它需要動用一個天文數字——光年

公里僅限於一個恆星系內使用,當涉及到恆星之間的距離時,應該使用光年

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我們的鄰居比鄰星

比如我們的鄰居恆星到地球的路程是4.2光年,光速飛行耗時4年多,這個時間人類還能接受

那麼再比如超級地球格利澤581g,它與地球的距離是21光年,經歷21年到達,青年變中年。

另一顆超級地球開普勒22b,距離地球638光年,用光速飛過去,得從明朝開始飛起,沒人能活這麼長的時間。

更何況到達光速本就是不可能完成的事情,至少現在我們不可能。

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地球和開普勒22b

超越光速的存在

光速是人類已經最快的速度但不是宇宙最快的速度,因為光速有兩個方面無法完成:

第一個是逃離不了黑洞的引力,另一個就是追不上宇宙膨脹的步伐

黑洞是宇宙中的一個天體,它質量很大但是體積卻很小,密度特別大,任何物質靠近都會被吸引進去,光也不例外。

起初人們認為光不會被任何天體吸引,因為已經證實光子沒有靜止質量,按照牛爵爺的萬有引力,需要雙方的質量。

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黑洞吞噬光

但是愛因斯坦認為,引力並不是質量產生的,它是天體周圍的空間發生了彎曲,導致周圍的空間凹下去了。

光子沒有靜止質量但是它是物質,當它靠近引力場的時候,會順著彎曲的空間掉下去。

一般的引力場太弱,即便發生了些許偏轉,也很難發現,只有引力場足夠大的,才能改變光的直線傳播,比如中子星和黑洞。

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引力場

這就是像河流表面的旋渦,光子就是漂浮在河面的樹葉,樹葉靠近旋渦被吸引進去,於是我們看不到樹葉了。

同理,黑洞將光吸收,我們看不見它發出來的光,於是黑洞在人類看來就是黑漆漆的。

光逃不出黑洞的「五指山」,黑洞內部有比光速更快的物質,只是我們看不見,光進去之後,說不定就會變成這種物種。

還有一種超越光速的存在,那就是宇宙膨脹的速度

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宇宙的膨脹

光是在宇宙大爆炸的時候產生的,如果我們把宇宙爆炸的點稱為起點,那麼宇宙的邊界就是爆炸的終點

我們觀測到的宇宙範圍,並不是大爆炸的終點,因為在爆炸之後很長一段時間裡,膨脹的速度大於光速。

光正在努力追趕宇宙的邊界,所以我們看到的宇宙並不是真正的宇宙只是宇宙的一部分

膨脹速度大於光速的證據就是紅移即在膨脹的空間里,光被拉長了

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光波被拉長

科學家們已經驗證了光是一種波,當它被拉長後,顏色會偏向於紅色,並逐漸離開可見光的區域,變成紅外線

如果光速比宇宙膨脹的速度快,那麼宇宙中的光應該是被壓縮的,它會出現藍移,但是宇宙中的光是紅移,這說明光沒有追上膨脹的空間

不管是藍移還是紅移,我們能看到的光都會消失,所以天文學家哈勃曾說過,人類能觀測到的星系其實是越來越少的。

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可視宇宙

速度與激情

人類的速度對於宇宙來說太慢了,一部分天文學家們對於人和宇宙的關係很悲觀,他們認為宇宙早已經確定,我們人類只是其中的一個過程

這就像你我的結局已經註定,或許前方是不歸之路,但我們不知道,還懷著希望向前走去

是不是感覺很絕望,宇宙就和它的溫度一樣冰涼,如果不是因為還有塵埃,宇宙的溫度將會是絕對的零度,塵埃反而成了宇宙「溫暖」的來源。

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宇宙的塵埃

可誰又能否認,人類不是宇宙的塵埃呢?

人類對於宇宙來說算是物質,我們也是大爆炸的產物,我們的質量來自宇宙大爆炸的能量。

作為人類的代表,旅行者1號和2號朝著宇宙的空間前進,它們也在追逐宇宙,猶如蚍蜉與大樹。

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飛向宇宙

有趣的是,愛因斯坦的相對論只說到了回到過去,卻沒有說到前往未來,因為未來永遠比人類快一步。

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