目前已知光速最快,那么未来有没有可能发现快于光速的速度呢?

kuaidi.ping-jia.net  作者:佚名   更新日期:2024-07-24
光速是人类已知最快的速度,世界上有最慢的速度吗?

我们都知道,速度在物理学上是一个相对的概念,选择参考系很重要。正如”坐地日行八万里,巡天遥看一千河 “,我们以地球为参考系便可以实现在家待着一天也能运动一个地球的周长那么远。这怎么解释呢?

自古以来,速度一直是我们人类的比赛之一。在古代,快一点可以娶媳妇,但现在可以提前去食堂吃饭,因为速度太慢了。光速是人类已知的最快速度,那么有世界上最慢的速度吗?不,世界上没有最慢的,只有更慢的。现在我们来分析一下。

速度比赛一直是奥运会的重中之重。我们知道世界上只有少数人能在10秒内跑100米,虽然网上总有人说自己可以和博尔特竞争,但这只是为了寻找一种存在感。爱因斯坦提出了最快的光速,他说,只要将来我们能超越光速,那么我们就可以像在游戏中那样实现穿越,光速被设定为最快的速度,玩家可以超越,那么会受到游戏的惩罚吗?科学是一个否定的战场。光速最快是因为没有人能否认,也不能提供证据。你觉得谁最慢?我们人类总能做到这一点。
因为很难做到,所以超越光速只是我们现代人的梦想。光是我们世界上一种重要的资源,没有光,我们的地球将死去。我们没有食物,没有氧气,世界上所有的动物都将灭绝。而且,我们应该知道,光仍然是从数亿英里外的太阳发出的,光速可以达到每秒30万米,在这个速度下,任何对人类的保护措施都是徒劳的,气流很容易把我们击碎。

我们学过物理,有一章是关于参照物的。我们可以把光速作为参考,可以想象谁能比它快,却想不到。但是我们可以把树懒当最慢的,也许会有海龟,这便是科学。科学代表们不断地用理性加以否定,以便有更好的理论。

光是一种可以传递信息和能量的电磁波,现有理论认为光速是宇宙中最快的速度,无可出其右者,而决定着光速是速度上限的理论依据就是爱因斯坦的狭义相对论。
光速为何是最快的
光是由光子所组成,而光子的静止质量为0,只有运动时才表现出运动质量,由于光子是一种微观粒子,表现出明显的波粒二象性,即在运动过程中可以产生相互垂直的震荡磁场和电场,它的运行既是物质的运动,也是能量和信息的运动。


我们常见的光线只是光谱中的极小一部分,即可见光,波长范围为380到780纳米之间,而除此之外还包括伽马射线、X射线、红外线、紫外线和无线电波。光线在真空中的传播速度最高,速度为299792458米每秒,而在其它不同介质中光速则会发生改变。


爱因斯坦提出狭义相对论以后,物体的质量以及本身所包含的能量便成为等效的概念,而且推导出物体的能量与质量之间存在着一个等效关系,即E=m*c^2。而这个公式的推导,一方面取决于在狭义相对论下物体质量和速度的关系,另一方面则根据动能定理和定量定理进行积分表达。


对于狭义相对论下的质速关系,其公式为:m=m0/√(1- v^2/c^2),其中m为物体的运动质量,m0为物体的静止质量,从这个公式可以看出,当物体的运动速度越快,其运动质量就会越大,继续加速所需要的输入性能量就会越高,而当物体速度接近光速时,它的运动质量就会变得无限大,此时如果再要加速,则理论上需要的能量就会无穷大,显然这是实现不了的,因此从这个意义上来说,我们对一个具有静止质量的物体进行加速,永远不可能达到或者超过光速。而光子没有静止质量,因此可以携带着信息和能量以光速运行。
光速不变原理
爱因斯坦狭义相对论中有两个著名的假设,一个是狭义相对性原理,表达的是物理定律不会因参照系的不同而发生改变;另一个就是光速不变原理,表达的是光速于真空中传播,在所有参照系中都具有一个恒定值,不会因为参照系的选择以及观察者的运动状态的改变而发生变化。


在爱因斯坦的狭义相对论体系之下,对于时空的概念就变得没有那么的绝对了,因为随着物体速度的改变,物体运动过程中所经历的时间和空间就会相应发生改变,这一点可以通过洛仑兹变换,推导出物体在运动过程中的相应速度条件下,与观测者之间的时空转变关系,即:
L=L'*(1-(v^2/c^2))^(1/2)
T=T'*(1-(v^2/c^2))^(1/2)
这就是著名的狭义相对论下的尺缩和钟慢效应表达式。从中我们可以看出,物体的运动速度越快,在物体运动的惯性参照系内观测,则观测到的实际移动距离会比从第三者观测角度观测的要短,所经历的时间也会变少,而一旦达到光速,则在运动物体所在的参照系内观测,其所移动的距离变为0,所需的时间也会变为0。


在此基础上,我们可以推导在狭义相对论体系下两个运动物体的相对速度,即:
v=(v'+u)/(1+v'*u/c^2),其中v'和u分别为在两个相对运动参照系内的移动速度,v为相对速度。从中我们可以看出,当两个以光速进行相向运动的物质来说,其叠加后的速度值仍然为光速,而不是两倍光速,因此即使是两束对着射出的光线,以任何一条光线为参照系,它们之间的相对速度也只是光速,超越不了光速。


几种特殊情况下的“超光速”现象
宇宙膨胀速度超过光速
根据哈勃观测出的目标星体红移,而且距离观测者越远红移现象越明显,人们逐渐意识到宇宙现在正处于加速膨胀的阶段,据此哈勃给出了宇宙膨胀速率的公式,即:V=H*D,其中V为宇宙退行速度,H为哈勃常数,D为目标星体和观测者的距离。


通过科学家长期的观测研究,对哈勃常数不断进行修正。2013年欧洲航天局通过普朗克卫星,修正的哈勃常数为67.8±0.77(km/s)/Mpc,其中Mpc代表是百万秒差距,约为300万光年的距离,这个常数表示与观测者每增加300万光年的距离,目标星体远离观测者的速度约为每秒67.80±0.77公里,那么根据这个常数,我们可以初步计算出在可观测宇宙的最外围(半径465亿光年处),其远离我们的速度为光速的3.5倍。


但是我们应该看到,即使在可观测宇宙的边缘,对于边缘处的两点,其退行速度仍然很低。而之所以我们认为宇宙的膨胀速度超过光速,则是根据哈勃常数推导出来的相对于地球目标星体退行速度的叠加值,它本身并不是物体的运动速度,而是空间改变的速度。
介质下的“超光速”现象
刚才提到了光线在不同介质下速度会发生改变,比如在水中光的传播速度下降到在真空中的四分之三,那么,在一定介质下,通过某种手段,可以将光线在此介质中的传播速度,突破理论上在此介质中传播的最高速度。
比如前苏联物理学家巴切连科夫,在上世纪30年代就发现了在液体透明介质中,将带电粒子加速到光线在这种介质中的传播速度时,会发出偏蓝色的光芒。这种现象从某种意义上来说实现了在特定介质中的超光速现象,但并没有与狭义相对论相悖,因为狭义相对论提出的光速最大是指光线在真空中的传播速度,不是光线在介质中的传播速度,切连科夫效应的发生,并未打破真空光速这个上限值。


总结一下
相对论从目前来看,是物理学领域最基本的框架,而真空光速最快是无法被突破的,虽然宇宙膨胀抑或者切连科夫效应,从某种意义上来说“突破了光速”,但这种突破只是相对的,前者是空间累加状态下的速度,后者是介质中的速度,实际上都没有冲击到真空光速最快的限制。除非发现一套全新的物理理论来代替相对论,将现有物体体系全部推倒重来,否则这个最高速度的限制将永远存在。

爱因斯坦在1905年发表了狭义相对论,带领人类认识了一个全新的物理世界。在狭义相对论中,他认为时间和空间都是相对的,只有一种现象是恒定的,可以将时间和空间联系到一起,那就是光速,从而提出了光速不变原理。


即无论在何种惯性系(惯性参照系)中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。所以光速被认为是目前宇宙中最快的速度。那么未来有可能发现比光速还快的速度吗?

光在我们的生活中随处可见,那么光的本质是什么?

其实关于这个问题曾经困扰了好几个世纪中物理学界的伟大人物,他们一直都在不断的争论光究竟是粒子还是电磁波。

最先提出光是粒子这个概念的是牛顿,这是由于微粒受力更加符合他提出的力学定律,但在当时惠更斯却持反对态度,在他看来光是一种类似于声波、机械波的波,并由此解释了光的反射、折射等现象。不过由于当时牛顿的威名比较大,因此最终以牛顿的“微粒说”成功告终。


直到英国物理学家托马斯·杨氏通过双缝实验在观察屏上发现了明暗交替的条纹,由此又开始了新的一轮争议,再加上赫兹也进行了实验,并且验证了明光是一种波,当时许多物理学家对此没有争议。

而当时爱因斯坦再次又提出光是由粒子组成的,因为只有这样,才能够完全解释光的反射和折射特性,而且根据光电效应实验证明出光其实是由能量组成的,不过这些能量是以波的形式传播的,他设想组成光的粒子是光子,推测当电子与物质中的光子碰撞时,它们会被后者的能量吸收并飞走,光子被击中的频率越高,飞行电子的能量就越大,双缝实验也证明了这一点。


直到法国德布罗意提出了波粒二象性的概念,众多物理学家才达成统一,认为光既是粒子,也是一种波,并且还得出所有的微粒或电磁波都具有波粒二象性,粒子就是波,波就是粒子,两者都是同一对象的两个属性。


根据众多智者研究光最终得出了光的三个规律:

  1. 光在同种均匀介质中沿直线传播。
  2. 两束光在传播过程中相遇时互不干扰,仍按各自途径继续传播,当两束光会聚同一点时,在该点上的光能量是简单相加的。
  3. 光传播途中遇到两种不同介质的分界面时,一部分反射,一部分折射,反射光线遵循反射定律,折射光线则遵循折射定律。



光速有多快?

真空中的光速是一个重要的物理常量 ,国际公认的值为 c=299792458米/秒 ,即3乘10的8次方米每秒,大约每秒30万公里。光看这个数字我们体会不了光速有多快,打几个比方来说,我们地球的直径是12756公里,计算一下,那么周长大约就是40000公里,而飞机是目前我们行驶最快的一种工具,坐飞机出国也是需要几个小时甚至十几个小时,而光速要围绕整个地球转一圈,只需要1/7秒;


还有地球到月球的距离,平均是38.4万公里,坐上光速去旅行,仅仅需要1.28秒就可以到达月球,和嫦娥一起赏月;太阳是太阳系的中心,我们地球到太阳的距离大约为1.5亿公里,如果是光速行驶的话,也才需要8分20秒我们就可以达到太阳了……

为什么光速不可超越?

根据爱因斯坦的相对论,应该把空间和时间一起对待,并合称它们为时空,他还认为时空可以被弯曲或扭曲,而且还统一了质量和能量,认为质量和能量应该放在一起,这两个是一个物体的两面,质量里有能量,能量里有质量,由此提出了质能方程。


爱因斯坦根据质能方程E=mc^2 推导出了质量效应公式,在这个公式中,对于为什么光速不能被超越就解释的非常清楚,这个方程式中m是物体的质量,m0则是物体的静质量,V为物质运动的速度,C为光速,当m0≠0,则m+∞,当速度越接近于光速时,其质量也就会越大,就会需要无穷的能量来推动,因此任何静质量不为0的物质是很难达到光速的。



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,当然这些主要是针对于物质、信息和能量而言,总的来说如果我们生存的宇宙是有限的,整个宇宙的能量都不够,因此光速根本不可能被超越。
根据爱因斯坦的狭义相对论,光速不可超越,但宇宙之中的有些现象却是与光速最快的论调相悖。


  • 宇宙膨胀速度

科学家们在发现宇宙不断膨胀的现象之后,认为宇宙膨胀的速度超越了光速。在1927年,物理学家勒梅特从弗里德曼方程中推导出了宇宙膨胀观点,到了1929年,天文学家哈勃的发现有力证实了这一猜测,哈勃通过分析宇宙中星系的光谱,结果发现,河外星系的光谱只有极少表现出蓝移,大都表现出红移,根据多普勒效应,大部分星系正在远离银河系运动,提出了哈勃定律。根据哈勃定律(Vf = Hc x D),哈勃常数Hc=67.80±0.77(km/s)/Mpc,通过简单计算可以发现,宇宙的膨胀导致的退行速度已经超越了光速。


  • 量子纠缠现象

在科幻小说《三体》中就曾出现过使用量子纠缠进行超光速通讯的剧情,而量子纠缠也是一种非常奇怪的,无处不在的物理现象,它颠覆了常理。根据量子理论,如果AB两个粒子互为纠缠状态,那么即使是把这两个粒子放在相距几百亿光年的宇宙两端,只要A做一个动作,B就会和A做相同的动作,反之亦然,这就是量子的纠缠效应,而量子纠缠里所体现的速度就超越了光速,也是科学界著名的超光速现象之一。


总结

人类的科技在近一百年以来发展迅速,我们的科学发展速度也一直在提高,在太空探索方面更是日新月异,我们对宇宙的认识也越来越多,但宇宙浩瀚无边,尽管我们的科技能力一直在提高,但人类目前连太阳系都走不出去,而宇宙中也有好多神秘现象我们无法解答,虽然爱因斯坦在相对论中提出,宇宙中存在的光速是人类目前无法赶超的,但由于我们对宇宙的探索还是不够深入,也许在未来的某一天,我们会有可能发现比光速要快的速度。



肯定有可能的,光速也是人类一步步研究出来的,科技是在不断进步的,而宇宙有太多我们未知的东西。

未来肯定会有超过光速的速度,因为人类不停的在发展,科技也在不断的进步,肯定会发现超过光速的速度,也就是超光速。

我觉得是很有可能发现的。因为这个世界存在着太多的未知了,任何可能性都有。

未来的事情很难讲,但我认为是可能的。因为宇宙中很有可能更高级的物种掌握着比光速更快的科技。

  • 目前已知光速最快,那么未来有没有可能发现快于光速的速度呢?
    答:光看这个数字我们体会不了光速有多快,打几个比方来说,我们地球的直径是12756公里,计算一下,那么周长大约就是40000公里,而飞机是目前我们行驶最快的一种工具,坐飞机出国也是需要几个小时甚至十几个小时,而光速要围绕整个地球转一圈,只需要1/7秒;还有地球到月球的距离,平均是38.4万公里,坐上...
  • 现有的宇宙中光速最快,有没有可能有一种速度超越了光速?
    答:1,目前已有的科学发现来说,尚未发现超越光速的速度,也正是因为如此光速是自然界中最快的。其实不得不说是已有的科学发现,尚未从自然界中发现超越光速的速度的存在,也正是因为如此有科学家断定光速似乎是我们这个宇宙传播速度最快的速度,也正是因为如此光速可能是宇宙速度的上限。2,有科学家推测,...
  • 光是不是也可以被加速,超光速在未来能实现吗?
    答:目前来说,光速已经是人类已知的最快速度,尚未有明确的科学实验能够将光速进行二次加速,所以正因为如此超光速在理论上来说是不存在的,但在不久的将来可能确实存在超光速的现象,而且也能够进行二次突破,所以也是可以实现的,总体来说也要从以下几个方面出发思考问题。1,目前来说,人类已知的最快宇宙...
  • 目前已知光速最快,未来有没有可能发现快于光速的速度呢?
    答:光速是指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度,光速可以说的现在为止速度最快的。准确来说,光速是所有拥有静质量的物体的极限速度,任何拥有静质量的物体都无法达到光速,只能无限接近,同时信息的传递速度也无法超越光速,这些都在爱因斯坦的相对论中有体现。真空中的光速是目前为止自然界中速度最快的,...
  • 未来有没有可能发现比光速更快的速度呢?
    答:相对论从目前来看,是物理学领域最基本的框架,而真空光速最快是无法被突破的,虽然宇宙膨胀抑或者切连科夫效应,从某种意义上来说“突破了光速”,但这种突破只是相对的,前者是空间累加状态下的速度,后者是介质中的速度,实际上都没有冲击到真空光速最快的限制。除非发现一套全新的物理理论来...
  • 光速到底有多快呢?宇宙中有没有可以超越光速的存在?
    答:同时,爱因斯坦也告诉我们:光速是宇宙中最快的速度,没有什么可以超过光速。目前我们知道,光速是差不多每秒30万公里。这是个什么概念呢?要知道,地球的直径是12756公里,周长就是差不多40000公里。我们坐飞机出国动辄几个小时甚至十几个小时,而光速围绕整个地球转一圈,仅仅需要1/7秒。地球到月球的...
  • 在未来,人类有没有可能达到光速?
    答:或许还达不到光速,解决这种特殊的能量是未来人的课题,因为它不是飞碟,是光速飞行器。解决前两个问题,再就是人了。人的生命不会是你想象的以灵魂的方式,或是以量子的方式存在,人是一个活生生的生命体,有智慧有情感,人如果驾驶光速飞行器穿越宇宙时空,他必须要把一切危险降到零,没有百分之百...
  • 既然星光以光速传播,为啥138亿年过去了,还有星光没被看到?
    答:光速最快,无法超越,是有条件的。这个条件有两个,一个是在真空环境,另一个是相对有质量的物质传递。真空环境就是光速在真空中才能实现,而在不同的介质中就不一定最快了;而物质运动,是指光是由光子传播的,且传播带有能量和信息。光子没有静质量,只有动质量,而有静质量的物质,哪怕一个电子...
  • 超光速飞行未来能实现吗?
    答:里面是一块平坦时空。飞船在泡内并非真的在移动,而是被泡带着走,并不违反物理学中“光速最快”限制。目前还不知道怎样引发这样的波动,或是一旦引发了,飞船该怎样离开它。因此“阿库别瑞发动机”仍属于理论概念范畴。虽然目前仍属于理论概念范畴,但是却给我们提供了未来超光速飞行的可能性,不是吗?
  • 光速是人类已知最快的速度,那世界上有最慢的速度吗?
    答:从古到今,速度一直是我们人类的比试之一,在古代你速度快可能还能娶媳妇,而现在速度快可以提前跑到食堂吃饭,因为速度太慢可能就只有剩菜剩饭了,而光速是人类已知最快的速度,那世界上有最慢的速度吗?没有,世界上没有最慢的,只有更慢的。那我们现在就来分析一下。速度的竞技一直都是奥运会的头筹...