宇宙极限速度是299792458米/秒吗?为何?

物质、信息、能量

实际上,宇宙的极限速度并不是299,792,458米/秒(光速),这个速度其实是有针对的对象的,也就是物质、信息、能量。关于这个问题,那为什么光速是极限速度只针对物质,信息,能量呢?

还是需要从牛顿牛爵爷说起。牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》开篇就对质量做了一个全面的定义。

在牛顿理论的框架下,静止的物体是没有能量的,只有静止质量。而且这个质量其实和运动方式是没有关系的,无论物体咋运动,质量该多少还是多少。

不过,后来麦克斯韦提出了麦克斯韦方程,预言了电磁波。还提出光子是一种电磁波。并且在麦克斯韦的理论体系当中,光速c=1/ε0μ0,ε0是真空介电常数,μ是真空磁导率,这意味着光速是一个固定值。

这就和牛顿的理论发生了一个矛盾,具体来说,对于牛顿体系内的运动物体来说,它是否运动还是静止,都是需要一个参考系存在的。比如:你在小车上坐着,你相对于小车就是静止的,而地面观察者看你就是运动的。但是麦克斯韦方程中的光,似乎是不需要参考系的,意思是,在任何参考下它都是一个速度,那就是光速,也就是299,792,458米/秒。后来,科学家试图给光速找到一个参考系,但各种实验做下来,其中就包括大名鼎鼎的迈克尔孙莫雷实验,结果就是这个参考系是不存在的。

所以,牛顿和麦克斯韦的理论出现了不可调和的矛盾。而爱因斯坦各接收了两个理论中的一部分,也就是相对性原理和光速不变原理,提出了狭义相对论。狭义相对论先是统一了“时间”和“空间”,认为这两个并非是分立的物理量,而应该看成是一体的,称为时空。爱因斯坦认为,运动的物体是会对时空造成影响。所以,才会有那些奇怪的事情发生,比如:时间膨胀。

比如:尺缩效应,下面分别是0.1倍光速,0.8倍光速,0.95倍光速的情况。

这是爱因斯坦在1905年,也就是史称爱因斯坦奇迹年提出来,是当年大的6月30号的时候发表的。

当年爱因斯坦发表4篇划时代的论文,这是第三篇。在发完第三篇之后,他似乎发现了什么,于是又补充了一篇,这一篇我们可以叫做质能等价。著名的质能方程也是在这一篇中提出来的。

之前说到爱因斯坦通过光速不变原理和相对性原理统一了“时间”和“空间”,可他随后又发现,不仅可以统一这两者,还是统一“质量”和“能量”。

爱因斯坦在这篇论文中,指出物体不仅有静止质量,还应该有动质量。并且给出了一个相对论质量的表达式,其中m0指的是物体的静止质量。

从这个表达式当中,我们可以得出这样的结论,那就是静止质量不为零,是没有办法达到光速的,只能低于光速。

其次,只有静止质量为零,才可以达到光速,但并不能超过光速。光子的静止质量就是零,光子的传播速度就是光速。在自然界中,已知的只有光子和传递强力的胶子是静止质量为零,但是胶子由于夸克禁闭的存在,没有办法单独分离出来。

所以,通过质能等价,我们就可以把光速针对的对象圈定一个范围,那就是信息,物质和能量。

超光速的现象

而宇宙中不止有信息、物质、能量的存在。实际上,空间的膨胀就不会受到光速的限制。宇宙大爆炸初期,第一秒内发生了很多精彩的事情,其中一件就是“大暴胀”,这个速度特别惊人,在10^-33秒,宇宙的尺寸膨胀了10^26倍。具体来说,就是把但是的宇宙看成一粒沙子那么大,然后膨胀到可观测宇宙那么大,然后再把它看成是一粒沙子那么大,再膨胀到可观测宇宙那么大。可观测宇宙直径是930亿光年,所以,这个膨胀速度是远远超过了光速。不过,这里要补充,空间膨胀是等比例膨胀,向个方向进行膨胀。

除了宇宙大爆炸初期,其实在距今46亿年前,宇宙开始加速膨胀,这是1998年两个科学家小组通过研究1a超新星(宇宙灯塔)发现的。而且如果以地球为参考系,还是有空间超光速的现象出现的,这其实就意味着,很多星系在未来会淡出我们的观测范围。如果加速一直持续,我们未来很可能只能看到银河系内的恒星了。

最后,我们来总结一下,光速是极限速度针对于物质,信息,能量而言的。宇宙空间膨胀的速度不会受到光速的限制的。