为什么说光速不能被超越?

kuaidi.ping-jia.net  作者:佚名   更新日期:2024-07-02
为什么说光速不能被超越?

因为有质量的物质都不可能达到光速。光速,是迄今为止宇宙速度的上限。谁是人类历史上最伟大的物理学家:小编认为,非上世纪著名科学家爱因斯坦莫属。他以独创的“相对论”体系,改变了世界,震惊了物理学界;
他独创的“质能方程式”,也间接让第二次世界大战终结。特别是,爱因斯坦正式让所有人类发现了“光速”的奥妙,这堪称是科学界一个开天辟地一样的创举。

物体的运动速度达到了光速之后,那么便可以将不可能变成可能。据说,连“时空穿梭”“星际穿越”这样以前不敢想象的事情都可以发生。不过,小编今天要给大家泼一下冷水:其实,在广义相对论中,光速是不可能被超越的。
没错,而且,光速也不可能被达到。迄今为止,只有光子在真空中行进的速度,完全符合光速,也就是每秒三十万公里的定义。人类迄今为止最快的飞行器是什么?十七公里每秒的旅行者一号。这还差得远呢。

根据质能方程式来计算,有质量的物体,速度越接近于光速,动能和质量就越接近于无限:当它真正达到了光速的时候,质量就是无限大的;这是不可能的。所以,在爱因斯坦的设想中,只有没有质量的能量体,才能达到光速。
但是,人类在科学上的探索是永无止境的。光速,在单一空间下不可能被达到:这已经是事实了。可是,我们目前所研制的“曲率引擎”飞船技术,或许有能让我们超越光速的机会。

为什么这么说?曲率引擎技术,是通过折叠空间的方式,让“亚光速”变成光速,并不违背上述的定理,但是,也能为我们带来意想不到的变化。据说,实验结果在2030年就要出来了。

让我们在这里给出一个答案。光速实际上可以被超过。宇宙中有许多超光速现象。然而,我们也可以理解光速是不能被超越的,但是这个极限是物质、信息和能量的极限。到底是怎么回事?
这实际上与爱因斯坦的相对论有关。今天,让我们简单谈谈这个问题。牛顿理论和麦克斯韦理论的矛盾。事实上,很久以前,光速对学者来说是一个非常痛苦的问题。因为测量光速太难了。伽利略曾经想通过实验来测量光速,但是他的实验失败了。现在,我们知道光速大约是3 * 108米/秒,它可以在一秒钟内环绕地球七次半。以这种速度,伽利略时代的科学技术无法精确测量。

由于根本没有办法测量光速,物理学家无法捕捉到接近光速的高速现象,更不用说验证现有的理论了。因此,当牛顿后来提出牛顿力学时,几乎每个人都相信牛顿力学在光速下可以非常精确。特别是,如果你在火车上,手里拿着手电筒,这时,你会沿着火车的方向发光。如果有地面观察者,他看到的光速应该是光速加上火车的速度。这实际上是我们在初中和高中所学的参考系的相关知识。只是没想到,物理学圈里还有另一个大个子,这个大个子就是麦克斯韦。他提出了著名的麦克斯韦方程。

他预言电磁波的存在,而光是电磁波。麦克斯韦理论和牛顿力学在当时的物理学界有着相同的地位,但它们有矛盾。具体来说,麦克斯韦方程可以推导出光速的表达式,c=1/ε0μ0,其中ε0称为真空介电常数,μ0称为真空磁导率。ε0和μ0是常数,即固定值,所以我们会发现光速也是固定值。

当科学家看到结果时,他们实际上有点困惑。原因也很简单。根据牛顿力学,光速不应该是一个固定值。这难道不矛盾吗?为了调和这一矛盾,有人提出水波的传播需要介质,即水。当时光也被认为是一种波,因此,光的传播也需要介质。从麦克斯韦方程导出的光速实际上是相对于这种介质的光速,这种介质也被称为以太网。结果,科学家们开始做各种实验来寻找乙醚,但都毫无例外地失败了。

这里先给出个答案,光速其实可以被超越,宇宙中有很多超光速的现象。不过,我们也可以理解成光速无法被超越,不过这个限定是对于物质、信息、能量来说的。具体是咋回事呢?

这其实和爱因斯坦的相对论有关,今天,我们就来简单地聊一聊这个问题。

牛顿理论和麦克斯韦理论的矛盾

其实,从很早以前,光速就是一个让学者们很痛苦的问题。因为要测量光速实在是太困难了。伽利略就曾经想要通过实验来测量光速,结果他实验失败了。现在,我们知道,光速大概是3*10^8m/s,一秒钟可以绕地球七圈半,按照这个速度,伽利略时代的科学技术是不可能测得准的。

由于根本没有办法测量光速,所以这种接近于光速的高速现象,物理学家也就捕捉不到,更没办法拿来验证已经存在的理论。所以,牛顿后来提出牛顿力学时,几乎所有的人都认为,在光速下,牛顿力学可以非常准确。

具体来说,如果你在一列火车上,手里有个手电筒,这个时候,你沿着火车行驶的方向把光射出去,如果有个地面观测者,那他看到光的运动速度就应该是光速加上火车的速度。这其实就是我们初高中学到的参考系的相关知识。

只是万万没想到,后来物理学界又出现了一个大咖,这位大咖就是麦克斯韦。他提出了著名的麦克斯韦方程。

他预言了电磁波的存在,而且光就是一种电磁波。麦克斯韦的理论和牛顿力学在当时的物理学界是具有同等地位的,但两者却产生了矛盾。具体来说就是,麦克斯韦方程是可以推导出光速的表达式的,c=1/ε0μ0,其中ε0被叫做真空介电常数,而μ0被叫做真空磁导率。ε0和μ0都是常数,也就是固定值,所以,我们会发现光速c也是一个固定值。

当科学家们看到这个结果时,其实有点摸不到头脑。原因也很简单,按照牛顿力学,光速应该不是一个固定值,这不就相互矛盾了吗?

为了调和这个矛盾,于是,就有人提出这么一个观点,水波的传递是需要介质的,也就是水。

光在当时也被认为是一种波,因此,光传递也应该需要介质。麦克斯韦方程推导出来的光速实际上就是光相对于这种介质的速度,这种介质也被叫做以太。于是,科学家就开始做各种实验来找以太,结果无一例外,全部都失败了。

相对论

既然找不到以太,26岁的专利局三级技术员爱因斯坦就打破了当时的固有认识,他认为根本不存在“以太”。光传递不需要介质,可以在真空中传播。于是,他以光速不变原理以及伽利略变换为基础,推导出了狭义相对论和质能等价。

这里的光速不变原理,说的就是光速在任何惯性参考下的速度都不变,都是光速c=3*10^8m/s。

在狭义相对论中,爱因斯坦统一了空间和时间,他认为不应该把空间和时间分开来对待,而应该一起对待,把它们并称为时空。而我们所生活的世界就是四维时空,三维的空间加上一维的时间。后来,爱因斯坦大学的数学老师闵可夫斯基在狭义相对论的基础上,就提出了光锥的概念。

在质能等价当中,爱因斯坦统一了质量和能量,他认为质量和能量是一回事,是一个物体的两个面,质量里有能量,能量里有质量。我们可以用质能方程E=mc^2来表述两者的等价关系。

在质能等价的推导过程中,爱因斯坦推导了在光速状态下,物体质量的变化,结果,他得到了下面这样一个式子。

这个式子告诉我们,物体的速度无法超光速,当速度越接近于光速时,质量就会越大。其实,根据牛顿定律我们也知道,如果要给质量大的物体加速,相对而言难度会比给质量小的物体加速大。因此,要给有质量的物体加速到光速,那就需要无穷大的能量。因此,这是不可能发生的。后来,也有科学家指出,爱因斯坦的推导有循环论证的嫌疑,这是因为他是假设了光速不变原理进行推导的,势必会推导出这样的结果。于是,许多数学家和物理学家也加入到完善这项工作当中来,弥补了这个漏洞。

所以,通过狭义相对论和质能等价,我们可以得出,凡是静止质量不为0的物体,都无法达到光速,在宇宙中,只有光子和胶子是静止质量为0,理论上只有它们可以达到光速。不过,这些其实是针对于物质、信息和能量而言。

超光速现象

在宇宙中其实不光有物质、信息和能量,还存在着一些可以超光速的现象。最常见的就是宇宙膨胀,这是一种空间的膨胀,空间既不属于物质,也不属于信息,更不属于能量。因此,空间的膨胀是可以超越光速的。正是因为空间膨胀可以超越光速,并且宇宙有个起点,也就是138亿年前的大爆炸。因此,人类实际上能观测到的范围是有限的,直径大概是930亿光年,这也被称为可观测宇宙,是宇宙的一部分。



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运动物体经过的路程除以物体自身经过的时间,这是绝对速度。测量经过这段路程的物体的速度是相对速度。光的绝对速度是无限快。相对速度是c。这样解释也就容易明白为什么物体的速度超不过光速了。其实绝大部分粒子的绝对速度都已经超过了光的相对速度了。这也能进一步解释量子的超距作用,因为无限快让量子同时具备两种状态的能力(绝对状态),而测量的状态只是相对状态。可以说绝对状态下他们还是一个物体。

人类目前的科技水平已知最快速度就是光速,当然也有超越光速的说法,但是这只是理论上的可能性,之所以光速无法超越只是就目前的认知来看。

光速并不是不能被超越的,我们把超越光速的速度称做超光速,目前我们还没有发现这样的速度,光速是目前已知的最快速度。

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  • 为什么光速不能超越?
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  • 为什么说光速不能被超越?
    答:在宇宙中其实不光有物质、信息和能量,还存在着一些可以超光速的现象。最常见的就是宇宙膨胀,这是一种空间的膨胀,空间既不属于物质,也不属于信息,更不属于能量。因此,空间的膨胀是可以超越光速的。正是因为空间膨胀可以超越光速,并且宇宙有个起点,也就是138亿年前的大爆炸。因此,人类实际上能...
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  • 为什么光速不可超越,简单的说下
    答:当速度趋近光速时,质量随着速度的增加而直线上升,速度无限接近光速时,质量趋向于无限大,需要无限多的能量。因此,任何物体的运动速度不可能达到光速,只有质量为零的粒子才可以以光速运动,如因科学研究虚构的“光子”、“引力子”这个名称。但现实生活中尚未发现这种物质。希望你能明白一些···...