宇宙有一个速度极限，却并不是光速

自然界的速度极限是什么？物理学定律告诉我们，宇宙中的终极速度极限是光速。正如爱因斯坦最先意识到的那样，当你观察一束光线时，无论它的传播方向是朝向你还是远离你，你看到的运动速度都是一样的。而且，无论你以多快的速度移动，或者朝哪个方向移动，所有的光都会以相同的速度运动。这对任何时间的任何观察者都一样。

此外，任何由物质构成的物体都只能接近但永远达不到光速。如果没有质量，物体必须以光速运动；如果有质量，物体就永远无法达到光速。

但事实上，在我们的宇宙中，存在一个对物质速度更加严格的限制，这个速度极限低于光速。下面，我们讲一讲关于宇宙速度极限的科学故事。

○ 所有无质量的粒子都以光速传播的，包括传递电磁相互作用的光子、传递强相互作用的胶子、传递引力相互作用的引力波。有质量的粒子总是以低于光速的速度运动，而且，在我们的宇宙中，存在一个更加严格的界限。| 图片来源：NASA/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET

光速可以达到吗？

当科学家谈论“光速”时，实际上是在暗指“真空中的光速”——299,792,458米/秒，这一终极宇宙速度只有在没有粒子、没有场、也没有传播的介质时才能达到。

即使是在如此严苛的条件下，这一速度也只有完全没有质量的粒子和波才能实现，这其中包括光子、胶子和引力波，而一切我们所熟知的其他事物都不包括在内。

无论是夸克、轻子、中微子，还是假想的暗物质，都具有质量这一固有属性。由这些粒子构成的物体，从极小的质子、原子到“庞大”的人类，都有质量。因此，这些物体可以接近、但永远无法达到真空中的光速。无论给它们注入多少能量，即使是在真空中，它们也永远无法达到光速。

茫茫宇宙并非虚空

事实上，根本不存在所谓的完美真空。即使是在星际空间的最深处，仍然存在三种绝对无法摆脱的物质。

• WHIM：温热星系际介质。这种稀薄的等离子体是宇宙网的残余。当物质聚集成恒星、星系和更大的群体时，其中一小部分物质仍然留存在宇宙的巨大空洞中。星光使其电离，随之产生的等离子体可能占宇宙中普通物质总量的50%左右。

• CMB：宇宙微波背景。宇宙大爆炸之后遗留的光子，在宇宙早期具有极高的能量，即便在今天，它的温度降低到绝对零度以上2.7度，在每立方厘米的空间内仍然有超过400个来自宇宙微波背景辐射的光子。

• CNB：宇宙中微子背景。除了光子，大爆炸还产生了大量的中微子。中微子的数量可能是质子的10亿倍之多，这些如今缓慢运行的粒子有许多会坠入星系和星团，但是仍然有许多留存在星际空间。

○ 宇宙大爆炸留下的余辉——CMB辐射会渗透到整个宇宙。当一个粒子在空间运动时，会经常受到来自宇宙微波背景辐射的光子的轰击。如果能量条件正确，即使像这样的低能量光子的碰撞也可能产生新粒子。| 图片来源：ESA/PLANCK COLLABORATION

任何在宇宙中穿行的粒子都会遇到来自WHIM的粒子，来自CMB的光子，以及来自CNB的中微子。

通往极限速度的障碍

尽管来自CMB的光子是其中能量最低的粒子，却也是所有粒子中数量最多、分布最均匀的。无论一个物体是如何产生的，或者具有多少能量，都不太可能避免与这些138亿年前的辐射发生相互作用。

○ 对银河系中心的多波段观测显示了恒星、气体、辐射、黑洞，以及其他物质。| 图片来源：NASA/ESA/SSC/CXC/STSCI

当我们想到宇宙中能量最高，也就是运动速度最快的粒子时，我们能预计它们是在宇宙所能提供的最极端条件下产生的，在这些地方能量最高、磁场最强，比如说在中子星、黑洞这类坍缩的物体附近。

在中子星和黑洞附近，不仅能找到宇宙中最强的引力场，理论上也能找到最强的电磁场。这些极强的电磁场，是由存在于中子星表面或黑洞周围的吸积盘中的那些接近光速运动的带电粒子所产生的。

运动的带电粒子会产生电磁场，当穿过这些电磁场时粒子会加速。这种加速不仅会发射出从X射线到射电波段的光，还会产生观测到的最高能量的粒子——宇宙射线。

○ 在这幅艺术作品中，耀变体正在加速质子产生介子，进而产生中微子和伽马射线。| 图片来源：ICECUBE/NASA 

在地球上，大型强子对撞机（LHC）最高可以将粒子加速到299,792,455米/秒——光速的99.999999%，然而，宇宙射线却能突破这个限制。

最高能量的宇宙射线大约是LHC所能产生的速度最快的质子能量的3600万倍。假设这些宇宙射线也是由质子构成的，那么它的速度将是299,792,457.999999999999992米/秒，这与真空中的光速非常接近，但仍然低于光速。而当我们接收到这些宇宙射线的时候，很有可能它们的能量还会更低。

所以，问题在于空间并不是真空。特别是当粒子穿越宇宙时，来自CMB辐射的光子会与它们发生碰撞和相互作用。无论粒子的能量有多高，它都必须穿越大爆炸残留的辐射才能到达地球。

即使这种辐射非常冷——平均温度大约只有2.725K，每个光子的平均能量大约为0.00023eV——也不容忽视。虽然这是一个很小的数字，但撞击它的宇宙射线却具有惊人的能量。

每当一个高能带电粒子与光子相互作用时，它与所有相互作用的粒子都具有相同的可能性。根据E=mc²，如果能量允许，那么它就有机会产生一个新的粒子！

○ 只要两个粒子以足够高的能量碰撞，就有可能产生额外的粒子-反粒子对，或者量子物理学定律允许的新粒子。| 图片来源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

如果产生一个能量超过5×10¹⁹eV的粒子，它最多传播几百万光年的距离，就会与宇宙大爆炸遗留下来的其中一个光子发生相互作用。如果出现了这种相互作用，就会有足够的能量产生一个中性的π介子，也就是说，π介子是从最初的宇宙射线中窃取能量的。

宇宙射线粒子的能量越高，产生π介子的可能性也就越大，这个过程可以持续进行，直到射线粒子的能量低于理论上的宇宙能量极限——GZK极限。GZK是以计算出这一极限的三位物理学家Greisen、Zatsepin、Kuzmin的名字命名。

与星际介质中任何粒子的相互作用会产生更多的轫致辐射（带电粒子与原子或原子核发生碰撞时突然减速，发出电磁辐射的现象）。即使是较低能量的粒子也会受到影响，随着电子-正电子对（以及其他粒子）的产生，辐射出能量。

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○ 由高能天体物理现象产生的宇宙射线可以抵达地球表面。当宇宙射线与地球大气中的粒子碰撞时，就会产生大量通过地面阵列就可以探测到的粒子。如果这些粒子是在本星系群之外产生的，它们应该服从GZK截断。| 图片来源：ASPERA COLLABORATION / ASTROPARTICLE ERANET