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。
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?
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用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。
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。
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。
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。
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?
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。