光速非常快,以至于人类曾经认为光速快到无限。但通过木卫一星蚀的天文现象,人类首次确认光速是有限的。此后,随着实验精度的不断提高,人类测出的光速也变得越来越精确,大小将近每秒30万公里。最终,人类干脆把光速定义为299792458米/秒。
光速不但非常快,而且还被认为是宇宙的速度上限。那么,为什么说光速是宇宙中最快的速度呢?
这一切都要从光速不变原理说起。麦克斯韦发现了一个很特殊的光速公式:
上述公式右侧的两个参数都是恒定的常数,这意味着光速也是恒定的大小。这个公式没有表现出参照系的优先关系,光速的大小与光源的运动方式没有任何关系,光速在所有参照系中都是完全相等的常数。
不久后,迈克尔逊和莫雷做了一项实验,他们把一束光分成两束,一束光朝着地球公转方向运动,另一束光的运动方向则与之垂直。结果表明,这两束光的速度大小完全一致,并没有因为地球的运动而出现区别。因此,这项实验证实了麦克斯韦的光速公式。
爱因斯坦的相对论
爱因斯坦认为,光速不变是我们宇宙的一个基本规律,他以此创立了狭义相对论。为了让光速在不同参照系中保持不变,必然会导致时间和空间在不同参照系中发生变化,时空不再是牛顿时代的绝对不变。
从狭义相对论中,可以推导得到物体的动能公式:
它看起来与经典物理学的动能公式显得完全不同,但事实上,如果对上式进行泰勒展开,考虑宏观低速的情况,就会得到我们熟悉的动能公式。
上式表明,一旦物体具有静质量,它就无法被加速到光速,因为这需要无穷无尽的能量。而光子的静质量为零,所以它们具有有限的动能,而且速度必然是光速。当速度超过光速时,上式将会变得没有意义。因此,从光速不变原理可以推导出光速是宇宙中最快的速度。
超光速会怎样?
无论是物体的运动速度,还是信息的传播速度,都不能超过光速。因为一旦超光速,闭合的时间曲线可能会让世界线回到原点,导致我们可以影响到过去,从而有可能打破因果律。因果关系的违背会出现一些奇怪的悖论,例如,一个人向过去发送信息,导致过去的自己死亡,这样就会陷入一个无解的怪圈中。
尽管如此,宇宙中存在超光速现象。
宇宙被认为诞生于138亿年前,最初是一个无体积的奇点,经过不断膨胀,现在的可观测宇宙半径已经扩张到465亿光年,而不可观测宇宙的范围更大。也就是说,宇宙的膨胀速度远远超过光速。
不过,宇宙膨胀本质上是因为空间结构的膨胀,其中的天体并没有在空间中超光速运动。空间不是具体物质,也不是某种形式的能量,其膨胀速度可以是任意的,超光速也不会有问题。
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