在物理学的发展历程中,1905 年爱因斯坦提出的狭义相对论,就像一座难以撼动的里程碑,为我们揭示了宇宙速度的奥秘:宇宙中任何粒子都存在一个极限速度,这个速度等同于真空中的光速。



狭义相对论表明,没有质量的粒子,如光子、胶子,从诞生起就以光速运动;而有质量的粒子,其运动速度只能无限趋近于光速,永远无法达到,更不可能超越。

这是因为当有质量的物体无限接近光速时,其蕴含的能量(质量)将趋向于无穷大,整个宇宙都难以提供足够的能量,来推动这个有质量粒子加速到光速。



更为奇妙的是,光子的运动不依赖于任何参考系,也不依赖于任何观察者。

无论观察者自身的速度如何,在其眼中,光始终以光速运动。

即便你达到了光速的 99%,光依然会以光速远离或靠近你。



这一现象与我们的直觉相悖,或许光有着独特的参考系,只是人类尚未明晰。

那么,真的没有任何事物的速度能够超过光速吗?

数十年来,科学家们对相对论进行了极为严苛的验证,事实证明,爱因斯坦的理论是正确的:在真空中,没有任何粒子的运动速度可以超越光速。



然而,宇宙的奇妙远超想象,确实存在一些看似超光速的现象,且这些现象并不违背物理学定律。

光在不同介质中的传播速度存在差异。

在真空中,光的传播速度最快,任何物质粒子都无法超越。但在空气、水等介质中,光速会降低,约为真空中光速的 80%。因此,当一个被加速到接近真空中光速的粒子进入这些介质时,便能够轻松超越光速。



光子在介质中速度降低的典型表现,就是在不同介质中具有不同的折射率。例如,当一个被加速到 99% 光速的电子和一个光子同时进入水中,电子的速度基本保持不变,而光子的速度会因水的存在降低至原来的 3/4。此时,电子就能超越光速。

当电子在水中超越光速时,会产生一种独特的蓝色辉光,即切伦科夫辐射。



这一现象与物体在空气中突破音障类似,粒子突破的是光障,会形成激波阵面和光波锥。在核反应堆中,我们常常能够观察到这种现象。

20 世纪 20 年代末,哈勃的研究不仅拓展了我们对宇宙范围的认知,还揭示了宇宙中星系的运动规律 —— 星系正在远离我们,且距离越远,远离的速度越快,这就是哈勃定律。



此后,科学家们致力于测量宇宙的膨胀速率,即哈勃常数。目前,哈勃常数约为 70 千米 / 秒 / Mpc。Mpc 指百万秒差距,是一种距离单位,1Mpc 约为 320 万光年。这意味着,每隔 320 万光年的距离,星系远离我们的速度就会增加 70 公里 / 秒。

按照这一规律计算,在距离地球 140 亿光年以外的区域,星系远离我们的速度已经超过了每秒 30 万公里,即超过了光速。



而宇宙的实际范围远超 140 亿光年,因此,宇宙中有大量星系远离我们的速度远超光速。这些星系此刻发出的光,将永远无法被我们观测到,我们现在所看到的,是它们很久以前发出的光。随着时间的推移,会有更多星系从我们的视野中消失。

那么,质量微小的粒子都无法超越光速,庞大的星系又是如何做到的呢?

实际上,看似星系在远离我们,实则是星系与我们之间的空间在不断膨胀。



这就好比面包中的葡萄干,当面包在烤箱中膨胀时,葡萄干之间的距离增大,看似葡萄干在相互远离,实则是面包本身在膨胀。同样,宇宙就像一个不断被吹气的气球,整体空间在持续膨胀。

在量子力学领域,科学家发现了两个相互伴生的粒子,它们以一种奇妙的方式纠缠在一起。即便相隔万水千山,它们之间也能发生诡异的相互作用。

量子世界与宏观世界有着本质区别,其最大的特点在于不确定性和各种状态的叠加态。



以粒子的位置和动量为例,在被测量之前,粒子会随机处于不同的位置,动量也具有不确定性。此外,物质粒子具有自旋这一本质属性。

例如,两个费米子(如电子)若想占据同一空间,根据泡利不相容原理,它们需处于不同的量子态。也就是说,同一轨道上的两个电子,其自旋方向相反,一个自旋向上,另一个自旋向下。但在被测量之前,这两个电子都处于两种自旋状态的叠加态。



当我们对电子进行测量时,其状态会坍缩为一个特定的位置和确定的自旋状态。

然而,每次进行测量实验,得到的结果都会有所不同。对于两个纠缠的粒子,就像两个自旋相反的电子,在未被观察时,它们处于自旋的叠加态。

当其中一个粒子被测量并表现出确定的自旋状态,如自旋向上时,另一个粒子会立刻表现出自旋向下的状态,无论它们相距多远。



值得注意的是,量子纠缠现象不能用于传递信息。因为每次测量得到的位置和自旋状态都是随机的,无法直接传递有用的信息。

量子纠缠现象的发现,让我们认识到在微观层面上,宇宙似乎是一个相互关联的实体,也促使我们不断探索微观世界的奥秘,以解开这个世界更深层次的谜团。

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