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如果速度超过光速会有什么后果?

时间:2021-07-16 来源:eisar.com.cn 作者:月夜星空文库网

  

  本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。

  

  爱因斯坦以光速不变原理为基础之一创立了狭义相对论,由此推导出真空中的光速是宇宙中最快的速度,任何物体或者信息的传播速度都不会超光速。那么,如果速度超过光速会发生什么?为什么光速是宇宙速度上限?

  虽然光速理论上不可超越,但在现实中确实有各种“超光速”现象,切伦科夫辐射就是一个例子。

  切伦科夫辐射

  光的传播速度与介质有关,在真空中最快,而在其他介质中会变慢。例如,光在水中的传播速度会下降25%,为真空光速的75%。在这种情况下,就有可能出现超光速的情况。

  

  当核电站启动时,会在水中释放出速度超过水中光速的带电粒子。这些带电粒子的超光速运动会辐射出一系列短波电磁辐射,其中还有少部分蓝色可见光可以被我们观测到,这就是切伦科夫辐射。

  宇宙空间膨胀

  除了切伦科夫辐射之外,超光速的现象还包括宇宙膨胀引发星系超光速运动。宇宙膨胀导致空间中的星系被互相分离开来,每相隔1亿光年的距离,星系之间互相远离的速度就会增加2150公里/秒。

  

  因此,距离我们10亿光年的星系会以21500公里/秒的速度在远离银河系。而距离我们140亿光年的星系远离银河系的速度达到30万公里/秒,速度已超光速(真空光速精确值不到30万公里/秒)。如果星系的距离达到465亿光年,其退行速度可以达到3.3倍光速。

  量子纠缠效应

  爱因斯坦曾经对于量子力学的哥本哈根诠释很不满,其中一个理由是量子纠缠效应远超光速。

  

  根据量子纠缠效应,两个互相纠缠的粒子无论被分隔到多远的地方,哪怕是100亿光年外的地方,只要测量其中一个粒子的物理性质,另一个粒子的物理性质就会瞬间随之发生相应变化,例如,一个粒子经过测量之后,其自旋状态坍缩为上旋,那么,另一个纠缠粒子必然会坍缩成下旋。爱因斯坦将这种效应称之为鬼魅般的超距作用,其作用速度远超光速,可以说是无限快。

  

  尽管上述三种情况都有出现超光速现象,但这与狭义相对论并不矛盾。光子在介质中的传播速度变慢,并非是光速真的下降了,而是因为光子与介质中的带电粒子相互作用,这会让光子的传播出现延迟,从而导致光的相速度降低,使得带电粒子可以出现超光速现象。

  星系的超光速退行是由于空间超光速膨胀所致,空间不是任何物体或者信息,其膨胀速度不会受限于狭义相对论。同样地,量子纠缠效应也没有打破狭义相对论,因为这种超光速现象并没有传递任何信息。

  

  根据狭义相对论,亚光速运动会带来时间膨胀效应,速度越接近光速,时间流逝速率越趋于零。有些人据此猜测,一旦物体的速度超过光速,时间将会逆向流逝,出现时间倒流的现象。

  但事实上,狭义相对论禁止任何有质量的物体以超光速运动。因为静质量不为零的物体加速到光速需要无穷多的能量,它们甚至都无法达到光速。因此,我们无从推断出真正意义上的超光速现象。

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