宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍
1,102

说到宇宙的极限速度,我们第一反应就是真空中的光速,任何有质量的物体或者是包含信息的物体都无法达到这个速度,只能无限的接近。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

这是物理学上的速度限制,也是宇宙本身的速度极限。20世纪初,爱因斯坦首先意识到了这个问题,并且他还提出,无论观察者处在怎样的运动状态,我们看到的光速都是一个恒定的值。

虽然这听起来多少有些诡异,但1887年迈克尔逊-莫雷实验的结果就是这样,光速不变、无法达到和超越已经成为了物理学上的公理。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

但是在真实的宇宙中,情况更加糟糕,因为还存在一个比光速还要低一些的速度极限,它的存在使得我们人类本身都无法实现无限接近光速这个小目标。

如果我们想要实现无限的接近光速,就首先要突破这个障碍,这才是人类去往极限速度路上的绊脚石。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

光速为299,792,458米/秒,这个速度是光在真空中的速度,除了光子可以达到这个速度外,还有胶子和引力子可以达到这个速度,因为这两种粒子都没有质量。

而夸克、电子(轻子)、中微子这些粒子都具有质量这个本质属性,且由它们组成的质子、原子、人类也具有质量,所以我们现实生活中可以看到的所有物质在真空中都必须低于光速运行。

而那些无质量的粒子、波都必须在真空中以光速运行。那么我说的另外一个速度极限是什么呢?这要从真空说起。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

我们一般认为宇宙真空那真的是“真空”,但是事情远没有我们想的那么简单,即使在宇宙的深处,真空中也包含一些成分,主要有以下三个方面:

真空中充满了低温辐射(CMB),也就是我们常说的微波背景辐射,它们来自于宇宙大爆炸后产生的高温辐射,经过138亿年的冷却以后,目前已经这些光子已经进入了微波波段。

且温度目前只有2.7K,不过这些光子大量的存在于宇宙空间中,在你的身边也无处不在,密度为400个光子/cm^2。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

真空中充满了中微子辐射(CNB),也就是我们常说的中微子背景辐射,这些中微子跟光子一样,也是从大爆炸时期产生的,它们的速度和光子十分接近,可以说无法区分,因为它们稍微有那么一点点质量。

它们也大量的充斥在空间中,不过它们为中性粒子,不参与电磁交互左右,虽然每秒钟有超过数十亿的中微子在穿透我们身体,但我们对它们无感。

真空中充斥着星际介质,宇宙中有大量的物质通过引力在漫长的时间中凝聚成了恒星、星系这些物质结构,但还有大量的物质残余,它们充斥在星际空间中。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

包括一些尘埃、中性原子和被星光电离后的等离子体。

这里就存在一个问题,你看,我们人类要想创造能量更高的粒子,也就是动能最高的粒子,或者是无限接近光速的宇宙飞船,它们都需要在空间中飞行。

因此它们在飞行的时候都会不可避免地遇到空间中以上的三种物质。其中以微波辐射的光子影响最大。

因为这些光子在宇宙中的数量最多,且分布的非常均匀,更加重要的是,人类可以加速的高能量带电粒子或者是制造的超高速宇宙飞船,都会与这些光子发生相互作用。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

这种相互作用就是我们人类在以后无限接近光速中遇到的极大障碍。

大型强子对撞机是我们人类目前所能创造最高速度的地方,但是在宇宙中还存在着一些天然加速器,它们的能量更大,所能创造的粒子的速度更快,它们就是中子星和黑洞。

这两种天体是宇宙中的两头怪兽,它们不仅是宇宙中引力最大的地方,而且还是磁场最大的地方,我们人类在大型强子对撞机中所创造的磁场强度在它们面前简直就像是刚学会玩泥巴的小孩。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

从中子星和黑洞中喷射出来的宇宙射线是人类有史以来发现的能量最高、速度最快的粒子。

大型强子对撞机中所创造的质子速度达到了299,792,455米/秒,这相当于99.999999%的光速,而高能宇宙射线的能量是对撞机中质子的3600万倍。

则速度为299,792,457.9999999999999992米/秒,十分接近光速,但是还是低于光速。但是奇怪的是,我们在地球上所接受到的宇宙射线中的质子能量(速度)大部分都集中在这个速度上,且不会比这个速度更高。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

按理来说,这些宇宙射线应该可以无限的接近光速,它们会在不同的数值上靠拢光速,但事实上并没有,而是在这个速度上出现了截止。

正如上文所说,宇宙的真空它不是真空,这些宇宙射线诞生的时候,它们的速度肯定更快,更加接近光速,能量更高,但是当他们在空间中飞行的时候与微波辐射中的光子发生了相互作用。

虽然这些光子的能量非常低,但是宇宙射线中质子的能量却非常高,当这些质子与光子发生碰撞的时候,就会在E=MC^2中产生新的粒子,并从高能质子中窃取能量,降低质子的速度。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

而宇宙射线中质子的这个极限速度对应了一个极限能量为5 × 10^19 eV,也就是说,当你创造了一个质子的能量高于5 × 10^19 eV,那么它在空间中飞行的时候就会与光子碰撞持续的产生π介子。

直到质子的能量跌破或回到5 × 10^19 eV,这个能量就是宇宙中的能量极限,被称为GZK极限。GZK是三位物理学家名字的首字母,这个理论解释了宇宙射线中粒子的速度为何出现截止的问题,也解释了粒子所能携带能量的极限。

我们目前认为宇宙中的每一条宇宙射线、每一个质子、每一个原子核,包括宏观世界的物体,都必须遵守GZK极限。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

GZK极限所带来的速度极限比光速要低一些,我们无法跨过这个速度去无限的接近光速。例如,某一天我们在大型强子对撞机中创造了能量高于5 × 10^19 eV的质子,速度达到了299,792,457.9999999999999992米/秒以上。

但可惜的是,这时的质子会大量的损失能量,以非常快的速度跌破这个能量极限。所以说,我们人类在未来接近光速的途中,肯定会遇到这样的困扰。

如果我们创造了速度非常快的宇宙飞船,那么它也会和微波辐射中的光子发生相互作用,导致整个飞船被烧毁。

宇宙还存在一个速度限制,但不是光速,这才是人类真正的障碍

所以说穿越宇宙的所有带电粒子,包括我们能看到的所有物质存在一个速度限制,它不是光速,而是一个比光速还要低一些的数值。这一切都是因为大爆炸产生的微波辐射造成。

不过随着未来宇宙的不断膨胀,微波辐射中的光子会持续的冷却,由它造成的速度极限会不断的上升,缓慢的接近光速。

但需要注意的是,微波辐射中的光子并不会在某一天消失不见,它只会越来越冷,它一直都将是人类无限接近光速路上的绊脚石。

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Translate »
You cannot copy content of this page
Social Media Auto Publish Powered By : XYZScripts.com
error: Content is protected !!
%d bloggers like this: