爱因斯坦说:物质传播最快速度是光速,为什么还存在超光速现象?

超光速实际上是可以的,宇宙中存在着许多超光速的现象。那为什么还会有个光速限定,又有什么是超光速的呢?

今天,我们就来聊一聊这个话题。

狭义相对论

实际上,光速针对信息、能量、物质传递而言的。这是上个世纪初才建立起来的观念。在在此之前,科学家并不这么认为。

这些其实需要从高中物理中的“参考系”说起。在高中物理学课上,老师会告诉你要研究运动时,需要先选定一个参考系。比如,我们以地面为参考系,地面上有个小车,小车上面有个人,这个时候车的速度是20m/s,而车上的人沿着车的运动方向运动,速度是5m/s。如果地面上有个观测者,那在他眼里,人的速度就是20+5=25m/s。

这其实很符合我们的观念,这其实也是牛顿理论下的一个很具体的展现。

这一切看起来都特别合理。但是后来,科学家开始着手研究电和磁的现象。最后由麦克斯韦提出的麦克斯韦方程统一了电和磁,并且麦克斯韦还预言了电磁波的存在,可见光就是电磁波中的一种。

这之后,赫兹通过实验证明了麦克斯韦的理论是正确的。

麦克斯韦理论是可以推导出电磁波,或者说是光的速度,这个速度表达是c=1/ε0μ0。其中ε0μ0都是常数,因此光速c就是个常数。

这意味着光速是不需要参考系的,在任何惯性参考下都是一个速度。那就和牛顿理论是相互矛盾的了。

这两位物理学界大神的理论都无比正确,都做出了非常杰出的预言。科学家直接判定谁对谁错都会遭来强烈的反对。于是,许多科学家就想寻找“光的参考系”,这个参考系被他们命名为以太。一群实验物理学通过各种方式去寻找以太。结果呢?

他们发现这个东西压根就不可能存在。所以,实际上科学家的这种“委屈求全”是有问题的。

后来,爱因斯坦直接甩掉了“以太”这个包袱,直接以光速不变原理为基础,加上相对性原理,推导出了相对论。

相对论质量

通过这两条基本假设,我们就可以推导出物体随着运动速度的变化,质量也会发生变化,可以用下面的方程来描述。

根据这个方程,我们就发现,随着速度的增加,物体的质量也增加。而当速度无限逼近光速时,质量变得十分巨大。同时,我们可以根据动能定律来推导,如果给物体加速所需要的能量。

根据这个方程,我们就会知道,想要让物体达到光速,就需要无限多的能量,而此时的质量也是无限大的。但是上哪弄到这么多的能量?毕竟倾尽宇宙中所有的能量都无法做到。因此,我们说,对于物质、信息、能量的传递而言,速度的极限就是光速。

超光速

我们要知道是,宇宙中不仅仅只有物质、信息和能量。实际上,还存在着许许多多的其他东西,比如:时间,空间等等。那有没有超光速现象呢?

答案是:有。宇宙空间的膨胀就是超光速的。

如果以我们地球为参考系,距离我们足够远的天体远离我们的速度是超光速的,但实际上并不是它们在运动,而是宇宙的空间在膨胀。

不仅是如今的宇宙是这样,在宇宙的早期,发生过一次暴胀。这一次宇宙的空间剧烈膨胀,如果我们当时的宇宙看成只有一粒沙子那么大,那这个宇宙相当于从“沙子”瞬间膨胀到“可观测宇宙”那么大,再把它再看成是一粒“沙子”再膨胀到“可观测宇宙”那么大,要知道可观测宇宙可是930亿光年的。宇宙就是在那一瞬间变大到原来的10^30倍。这个膨胀的速度是远远超过光速的。

除了宇宙膨胀,还有一个超光速事件就是量子纠缠。很多人都认为它违背了相对论,实际上并没有。我们还说回到相对论的限定对象就是物质、信息和能量。量子纠缠实际上是没有办法传递信息的,而是用来加密的。

为什么这么说呢?

量子纠缠是指两个粒子的状态会相互影响。但是这里我们要知道的一件事,实际上这粒子应该是处于叠加态的。当一个粒子坍缩之后,另外一个也就定下来。但是我们再去操作已经坍缩的粒子,另外一个粒子是不会发生任何改变的。因此,我们没办法用量子纠缠来实现信息的传递。所以,量子纠缠其实并不违反相对论。