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光速并非不可超越,四种超光速现象能让人类突破光速限制吗?

一百多年前,爱因斯坦创建了著名的相对论。如今一百多年过去了,经过科学家们不断地验证,相对论得到广泛认可,早已成为现代物理学大厦的两大基石之一(另外一个基石是量子力学)。


相对论分为狭义相对论和广义相对论。在狭义相对论中,有一个很重要概念就是:光速限制,强调任何物体的传播速度都不能超越光速,光速就是宇宙速度的极限。

同时,任何具有静质量的物体都只能无限接近光速飞行,永远达不到光速。而没有静质量的物体,比如说光子,胶子等必须以光速飞行,而且一出生就以光速飞行,没有任何加速时间。

同时,物体的速度越大,质量就越大。这就意味着如果想要一个物体的速度达到光速,就需要用无穷多的能量才可以,这显然是不可能的,也是为什么我们无法达到或者超越光速的原因。


实际上这就是质增效应,用公式表达就是:M=m/√[1-(v/c)^2]

除了光速限制之外,光速还有一个特性,那就是:光速不变原理。简单讲就是任何速度与光速的叠加仍旧是光速本身,用公式表达就是:V=(V1+V2)/(1+V1xV2/C^2)。举个例子,你我分别以60%光速反向飞行,我们之间的相对速度是多少?120%光速?非也, 仍旧是光速!

光速只与真空中的磁导率和介电常数有关,与参照系的选择无关,用公式表达就是:C=1/√μ0ε0。其中μ0为磁导率,ε0为介电常数。

既然存在着光速限制,是不是意味着人类永远无法实现超光速飞行了呢?


并不是这样的。大自然并没有关闭所有门,仍旧为我们“留下一扇窗”,大自然有四种超光速现象存在。

第一就是宇宙膨胀速度,这点大家都明白。自从138亿年前的宇宙大爆炸开始,宇宙时空的膨胀速度就一直超越光速,而且科学家们发现,如今的宇宙膨胀速度越来越快,早已经远超光速。


不过宇宙膨胀只是时空的不断衍生,并没有传递任何信息,并不违反爱因斯坦的相对论。

第二就是虫洞理论。很多科幻电影中都有与虫洞相关的故事情节,比如说著名科幻电影《星际穿越》。虫洞,又叫“爱因斯坦-罗森桥”,是通往两个不同时空的捷径。就像我们在大山开通隧道一样,可以让我们在很短的时间内前往另一个时空。


虫洞只是爱因斯坦广义相对论的一个预言,目前还没有得到实验证实。不过考虑到广义相对论的很多预言最终都实现了,比如说引力波,黑洞等,虫洞理论很可能也会被最终证实。

虫洞,虽然可以让我们在短时间内跨越浩瀚星际距离,但本质上并没有超光速,只是让我们实现了“间接超光速”飞行,我们只是在抄近道而已,绝对速度并没有超越光速。

第三就是曲速引擎,原理与虫洞差不多,都是利用时空可以弯曲折叠的特性。通过操控飞船周围时空,飞船保持相对静止,周围的时空形成曲率泡,可以超光速飞行,就好像帆船在大海上乘风破浪一样。


最后一个就是量子纠缠,纠缠中的两个或多个粒子,无论相距多么遥远,都会瞬间“感应”到彼此,如果某个粒子的状态改变了,其他粒子的状态瞬间跟着改变,但任何观测行为都会导致纠缠的中止,所谓的“波函数坍缩”,所以只是能瞬间完成相应改变,彼此之间并没有传递任何信息,当然也就不能让我们超光速传递信息。量子纠缠的这种特性主要用于量子密钥分发,还有就是量子计算机。


对于人类来讲,目前来看想要实现超光速飞行,虫洞和曲速引擎或许是最让我们期待的。但无论是虫洞还是曲速引擎,都必须通过操控时空结构来实现,这对于目前的人类文明来讲,无疑是一个巨大的挑战。

但无论如何,我们能看到希望!

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