光速不是速度極限.
帖來(lái)一個(gè)超長(zhǎng)的,很不厚道,不過(guò)還不錯(cuò).你參考下
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引 言
快與慢是相對(duì)的,人們判別快慢往往需要一個(gè)參照物,要么與人走動(dòng)的快慢相比,要么同靜止的大地對(duì)照.兩列火車相向行駛,一輛火車?yán)锏某丝涂吹搅硪惠v火車飛弛而過(guò),速度很快；若是兩列火車同向行駛,一輛火車?yán)锏某丝蜁?huì)看到另一輛火車的速度不快甚至靜止、倒退,這是由于乘客自身的運(yùn)動(dòng)速度不同,他觀察到的另一列火車的速度也就不同；換一種說(shuō)法,即物體運(yùn)動(dòng)的速度對(duì)于不同的參照系是可以不同的.但是,我們能不能就此得出結(jié)論：所有物體相對(duì)于“以不同速度運(yùn)動(dòng)著的參照系”的速度都是不同的呢?否!光速就是其一.實(shí)驗(yàn)和計(jì)算均證實(shí),真空或空氣中光速的大小與參照系的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),在靜止的火箭或是飛馳的火箭上去測(cè)光速總不變,它總是常數(shù)C,并且光速的大小還與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度、方向）無(wú)關(guān),這就是狹義相對(duì)論的“光速不變?cè)怼?也就是說(shuō),將光源安裝在火車、飛船上,不管火車、飛船靜止還是奔馳,測(cè)得的光速都是一樣的,光在真空中的速度大約總是300,000千米／秒.相對(duì)論有一個(gè)根本的立論：光速在所有已知速度中是最大的,任何物體的運(yùn)動(dòng)速度,不能超光速,光速是自然速度的極限.
一、光速的計(jì)算、測(cè)定及相對(duì)論對(duì)速度的限定
“300,000千米／秒”這個(gè)光速的數(shù)值是怎樣得到的?
光速的測(cè)量已進(jìn)行了幾百年.第一個(gè)認(rèn)為光是以有限速度傳播的是意大利的科學(xué)家伽利略（1564～1642年）,他在1638年所做的實(shí)驗(yàn)因條件所限而沒(méi)有得到結(jié)果.1675年,丹麥天文學(xué)家?jiàn)W勞斯·雷默（1644～1710年）借助于觀測(cè)木星的衛(wèi)星被木星掩蝕現(xiàn)象,對(duì)光速作了粗糙的估算,第一歡得到了光速的數(shù)值為214000千米／秒.這個(gè)估算結(jié)果誤差很大,究其主要原因是當(dāng)時(shí)對(duì)地球的直徑了解得不夠準(zhǔn)確.在這以后,實(shí)驗(yàn)設(shè)備不斷改進(jìn),實(shí)驗(yàn)技術(shù)不斷提高,光速測(cè)定實(shí)驗(yàn)的精度也就不斷提高.到1972年,埃文森利用激光技術(shù),得到了前人無(wú)可比擬的光速數(shù)值為c＝299792.458±0.00012千米／秒.1983年10月,第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)把c=299792.458千米／秒作為光速的確定值,這同理論上計(jì)算出的c＝299792.50千米／秒相吻合.在理論上第一個(gè)做出精確計(jì)算的人則是電磁場(chǎng)理論的奠基人麥克斯韋,他在自己創(chuàng)建的電磁場(chǎng)理論中,不僅證明了光是一種電磁波,而且還從真空的介電系數(shù) ε0和導(dǎo)磁率μ0計(jì)算出真空中的光速為299792.458±0.0012米/秒.計(jì)算所用的公式為:
（沒(méi)……沒(méi)公式,貼不上）
可是,當(dāng)物體的速度接近光速時(shí),物體的特性卻會(huì)發(fā)生意外的變化.其中之一是物體質(zhì)量會(huì)隨之增加,與光速愈接近,質(zhì)量增加得愈大.相對(duì)論用下面的著名方程來(lái)表達(dá)這一理念：
E=MC^2
這里m 是物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的質(zhì)量,m0是物體的靜止質(zhì)量,即物體不運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量,c為光速.
從這個(gè)關(guān)系式可以清楚地看到：隨著v接近光速,分母減小,開(kāi)始減小得很慢,后來(lái)越來(lái)越快；最后v等于光速c時(shí),物體的質(zhì)量就變?yōu)闊o(wú)限大.
一個(gè)物體的質(zhì)量是無(wú)限大,這是不可思義的.要使一個(gè)趨向無(wú)限大的質(zhì)量加速,無(wú)疑需要一個(gè)趨向無(wú)限大的力.可是,自然界里,沒(méi)有一個(gè)物體的質(zhì)量是無(wú)限大的,也沒(méi)有一個(gè)力是無(wú)限大的.宇宙廣闊無(wú)垠,但其中每一個(gè)成員如太陽(yáng)、地球卻都是有限的,每個(gè)成員受到的力也是有限的.這樣,唯一正確的論斷只能是一切物體運(yùn)動(dòng)的速度不能超過(guò)或者等于光速.
為什么在日常生活中我們觀察不到相對(duì)論所預(yù)期的質(zhì)量增加呢?因?yàn)橥ǔＮ矬w運(yùn)動(dòng)的速度太小,質(zhì)量增加的效應(yīng)不明顯.以每秒11公里的逃逸速度（脫離地球影響成為太陽(yáng)行星的第二宇宙速度）運(yùn)動(dòng)著的火箭為例,如果它在地面上的質(zhì)量（靜止質(zhì)量）是100千克,則11公里／秒的速度只能使它增加 0.35毫克.粒子加速器里的情況就不同了,如果帶電粒子的速度升高到250,000公里／秒,則它的質(zhì)量將增大到靜止質(zhì)量的兩倍以上,不僅要它加速會(huì)越來(lái)越困難,還會(huì)出現(xiàn)由于質(zhì)量增加產(chǎn)生的種種問(wèn)題.
二、宇宙觀測(cè)中的超光速現(xiàn)象
光速不可超越的結(jié)論對(duì)不對(duì)呢?大量事實(shí)證明這一結(jié)論是正確的.目前世界上最強(qiáng)大的加速器都無(wú)法將帶電粒子如電子、質(zhì)子加速到等于光速.但是,科學(xué)家卻從宇宙星體的觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了似乎是超光速的現(xiàn)象：
60年代,天文學(xué)家用射電望遠(yuǎn)鏡所發(fā)現(xiàn)的 “類星體”（詳見(jiàn)“神秘的類星體”）中,有一些包括著兩個(gè)射電的子源,它們以很大的速度相互分離,有的分離速度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了光速.
1972～1974年,美國(guó)的一些天文學(xué)家發(fā)現(xiàn),塞佛特星系3C120自身膨脹的速度達(dá)到了光速的4倍.
1977年前,又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)類星體3C273、3C345和3C279各自的兩個(gè)組成部分的分離速度分別達(dá)到光速的9.6倍、10倍和19倍.
近年來(lái),天文學(xué)家用分辨率極好的長(zhǎng)基線射電干涉儀,又新發(fā)現(xiàn)了10個(gè)類星體的兩個(gè)子源,其分離速度均達(dá)到光速的7或8倍.看來(lái),河外射電源的各組成部分分離的超光速膨脹現(xiàn)象并非是罕見(jiàn)的事例.
怎樣來(lái)解釋這一違背狹義相對(duì)論的物理現(xiàn)象呢?英國(guó)劍橋大學(xué)的天文學(xué)家蘭登·貝爾認(rèn)為,這是一種光學(xué)錯(cuò)覺(jué).他提出,仍然要用愛(ài)因斯坦學(xué)說(shuō)來(lái)闡明其原因：如果兩子源以近乎光的速度向著地球運(yùn)動(dòng),則將會(huì)使我們產(chǎn)生時(shí)間感覺(jué)上的差異.因?yàn)榘l(fā)射較晚的光越過(guò)較短的距離,使地面觀測(cè)者看到運(yùn)動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間要比兩子源實(shí)際分離的時(shí)間為短.因此,從兩子源各自的參照系來(lái)看,它們向外膨脹的速度并未超過(guò)光速.但若兩子源以垂直于視線的方向離開(kāi),則不會(huì)產(chǎn)生超光速錯(cuò)覺(jué).這是目前天文界比較流行的一種解答模式.為了使讀者明了這個(gè)模式,再舉一個(gè)飛機(jī)飛行的例子.一架亞音速飛機(jī)從你頭頂上俯沖斜插而下,在一千米高度上飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出一聲特別的響聲,當(dāng)飛機(jī)下降到一百米高度時(shí)又發(fā)出同樣的一聲響聲,按照距離,1000米高度發(fā)出的響聲會(huì)比100米高度發(fā)出的響聲早幾分之一秒傳到你的耳朵里.在這種情況下,你要是僅僅根據(jù)這兩次響聲來(lái)計(jì)算飛機(jī)的速度的話,你會(huì)得出飛機(jī)在幾分之一秒內(nèi)從1000米下降到100米的結(jié)論,這樣一來(lái),飛機(jī)的速度就大大超過(guò)音速了.這種與聲波傳播的時(shí)間差相類似而引起的錯(cuò)覺(jué),在光波和無(wú)線電波的頻率范圍內(nèi)也同樣存在.有人計(jì)算過(guò)：如果兩個(gè)射電源的軌道軸與觀測(cè)者視線之間形成的夾角為12度的話,那么,它們離開(kāi)的實(shí)際速度就會(huì)比視速度高出10倍.
為了解釋類星體的超光速現(xiàn)象,還有人提出了“投影效應(yīng)說(shuō)”,認(rèn)為就像直角三角形直角邊上的兩點(diǎn),互相以接近光的速度分離,它們?cè)谛边吷系耐队包c(diǎn)就可能作超光速分離.自從發(fā)現(xiàn)天體的引力場(chǎng)能使光線會(huì)聚的“引力透鏡效應(yīng)”后,又有科學(xué)家把類星體的超光速現(xiàn)象說(shuō)成是引力透鏡放大的結(jié)果,認(rèn)為這只能說(shuō)是一種超光速的表象,它也許有別的原因造成,還不能算作超光速的實(shí)例.
對(duì)類星體超光速膨脹現(xiàn)象的解釋除上述蘭登·貝爾模式外,還可舉出“傳播條件發(fā)生變化論”和“花環(huán)模式”等.我國(guó)北京天文臺(tái)的梁寶鎏和崔振興提出了“視超光速現(xiàn)象”的相對(duì)論激波模型.但北京師范大學(xué)的曹盛林和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院的劉永鎮(zhèn)、鄧祖淦等三人則認(rèn)為洛倫茲變換只能描述亞光速運(yùn)動(dòng),狹義相對(duì)論不能否定超光速運(yùn)動(dòng)的可能存在.如果假定物質(zhì)可以存在一種真實(shí)的大于真空中光速度的運(yùn)動(dòng),則可以建立起一種新的理論.他們討論了史瓦西場(chǎng)中的超光速運(yùn)動(dòng),并以3C34、3C273和3C120為例,表明史瓦西場(chǎng)中的類空測(cè)地線,只要適當(dāng)選擇中心場(chǎng)的質(zhì)量,即可與上述三個(gè)河外射電源的超光速膨脹的觀測(cè)數(shù)據(jù)很好地符合.他們還計(jì)算出這些射電源的質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的1012～1013倍.
三、狹義相對(duì)論的結(jié)論
如果一個(gè)物體的速度超過(guò)光速又會(huì)怎樣呢?狹義相對(duì)論的有關(guān)方程告訴我們,這個(gè)物體的長(zhǎng)度和質(zhì)量,將不能用一般的實(shí)數(shù)來(lái)表示,而必須引用虛數(shù).人們?cè)J(rèn)為這是無(wú)法想象的,因此斷定這種東西是不可能存在的.但是,把不可想象的東西認(rèn)為是不能存在的東西,似乎有點(diǎn)武斷.
光速不變,在建立相對(duì)論時(shí)并沒(méi)有什么實(shí)驗(yàn)依據(jù),而是愛(ài)因斯坦的一個(gè)大膽的假設(shè).愛(ài)因斯坦把光速放到這種與眾不同的特殊地位,當(dāng)然直接破壞了人們十分熟悉的速度合成關(guān)系,因此曾遭到眾多的非議.然而,到目前為止,有很多實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了它的正確性.
愛(ài)因斯坦的相對(duì)論同樣也要遵守事件發(fā)生的因果律.根據(jù)因果律的要求,有因果關(guān)系的兩個(gè)事件發(fā)生的先后順序,無(wú)論從哪個(gè)參考系來(lái)看都是不容顛倒的,也就是說(shuō),一切物體的運(yùn)動(dòng)速度小于光速才能保證因果關(guān)系不會(huì)顛倒.事實(shí)上,首先是因果關(guān)系在任何情況下不容許顛倒,才導(dǎo)致了光速是任何物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的極限速度,也是一切相互作用傳播的最大速度；反之如果物體的速度大于光速,就會(huì)出現(xiàn)因果顛倒的荒謬局面.相對(duì)論明確指出,任何物體（或粒子）的速度總是小于c,最多等于c,這個(gè)理論上的結(jié)果已被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí).然而,狹義相對(duì)論只對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)速度,或者信號(hào)傳播和作用傳遞的速度給出了極限,而并沒(méi)有限制任何速度都不能超光速,還有,應(yīng)該說(shuō)狹義相對(duì)論也并非萬(wàn)能的理論,它也有其使用的條件和范圍,因此,我們不能僅根據(jù)一個(gè)光速不變?cè)矶ヅ懦匀唤绫緛?lái)就存在超光速粒子的可能性.
四、到底有沒(méi)有“快子”
近年來(lái),有人將自然界的粒子分成慢子、光子和快子三類,按靜止質(zhì)量（m0）的大小,慢子 m0＞0,光子m0＝0,而快子m0＜0,快子就是比光運(yùn)動(dòng)得還快的粒子.
最先假定快子存在的是美國(guó)科學(xué)家比拉紐克和蘇達(dá)珊,直到1967年,美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的杰拉爾德·范伯格才確定了快子在科學(xué)中的地位.他認(rèn)為快子應(yīng)該存在,只不過(guò)它具有負(fù)重力的性質(zhì),也就是它同我們這個(gè)宇宙中的物質(zhì)不一樣,并不是靠萬(wàn)有引力相互吸引,恰恰相反,而是相互排斥的.如果把我們的宇宙稱作“慢宇宙”的話,那么,由快子構(gòu)成的宇宙,則是“快宇宙”,光速是“慢宇宙”,與“快宇宙”的分界線.在“快宇宙”中,會(huì)出現(xiàn)許許多多在“慢宇宙”中看來(lái)荒唐滑稽的事情,譬如,在“慢宇宙”中,不動(dòng)的東西能量為零,一旦它獲得能量,便會(huì)運(yùn)動(dòng)得越來(lái)越快,能量無(wú)限大時(shí),它就以光速運(yùn)動(dòng).但在“快宇宙”中,情況恰恰相反,如果快子的能量為零,它就以無(wú)限大速度運(yùn)動(dòng),它得到的能量越大,跑得就越慢,當(dāng)它得到能量為無(wú)限大時(shí),快子的速度就降低到光速.在快宇宙里,光速是快子最小的運(yùn)動(dòng)速度；而在“慢宇宙”里,光速則是物體運(yùn)動(dòng)的極限.
“快子”是不是真的存在呢?有什么跡象可以證明它的存在呢?科學(xué)家們認(rèn)為,確實(shí)有可能存在一個(gè)并不違反愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的“快宇宙”.而如果快子以超光速在真空中運(yùn)動(dòng),那么必然會(huì)在飛過(guò)的地方留下一條發(fā)光的藍(lán)尾巴,物理學(xué)家稱這種現(xiàn)象為“切倫科夫輻射”,它是由俄國(guó)物理學(xué)家巴維爾·切倫科夫在1934年宣布發(fā)現(xiàn)的.1937年,另外2位俄國(guó)物理學(xué)家伊利亞·弗蘭克和伊戈?duì)枴に方忉屃诉@種現(xiàn)象,結(jié)果這3位科學(xué)家分享了1958年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).現(xiàn)在,物理學(xué)家正在想方設(shè)法抓住快子這條發(fā)光的藍(lán)尾巴,以此來(lái)證明它的存在.當(dāng)然,人們要揪住這條尾巴也并不容易,因?yàn)榭熳拥乃俣仁求@人的,比光還要快幾百萬(wàn)倍；用“一溜煙”、“稍縱即逝”這些字眼都難以描述快子的快速程度.一般情況下,當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)快子的藍(lán)尾巴時(shí),它早就逃之夭夭,無(wú)影無(wú)蹤了.
盡管有的科學(xué)家把快子描寫得栩栩如生,有的科學(xué)家卻把它視為子虛烏有.看來(lái),只有找到了它,人類才能接受快子及超光速這兩個(gè)新朋友.
目前關(guān)于超光速的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)是非常令人關(guān)注的,類星體的超光速膨脹現(xiàn)象很可能是宇宙中的正常事例,預(yù)計(jì)將會(huì)不斷有新的發(fā)現(xiàn).目前雖然并未揭開(kāi)它的神秘面紗,但對(duì)它的研究觀察將激發(fā)人們對(duì)超光速現(xiàn)象的探討并在地球上想方設(shè)法探測(cè)“超光速粒子”或“快子”的存在.“超光速粒子”或“快子”的主要領(lǐng)域多集中在天文現(xiàn)象方面,但目前尚無(wú)具體結(jié)果.
我們的宇宙正在膨脹,根據(jù)“哈勃定律”,離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系其遠(yuǎn)離我們而去的速度就越大,照此推理宇宙總會(huì)有一個(gè)界限,在此界限以內(nèi),星系的退行速度不會(huì)超過(guò)光速,而在界限及界限以外的星系,它們的退行速度又如何呢?自然界究竟是否存在超光速及超光速粒子呢?這還是個(gè)謎.