当然是光速!这是宇宙中所有物质和信息的极限速度,没有之一,只有之最 。光的速度在真空中可以达到每秒约30万千米,想象一下,是不是极快!?以这样的速度到达月球不费吹灰之力 。当然对于光速来言,不同的介质会产生不同的限制,但真正的光速依然没有变化 。
光速是指光在真空中的传播速度,其精确值为299792458米每秒(约等于30万千米每秒) 。它是宇宙中最快的速度,没有之一 。根据阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论,它是一种速度的上限值,宇宙中的任何物质能量信息的运行都不能超过这个上限值 。有时候,物质、能量或信息似乎会超光速运行,但这只是一种错觉 。光在介质中传播的速度变慢,也是一种类似的错觉 。
光从离开太阳表面算起,需大约8分17秒才能到达地球 。图:LucasVB
速度的上限
根据狭义相对论,一个静止质量为m和速度为v的物体,其含有的能量由γmc2给出,其中γ是上段文字定义的洛伦兹因子 。当v为零时,γ就会等于1,从而得到著名的质能转换公式E=mc2 。当v接近c时,γ因子会趋于无穷大,并且需要无穷大的能量才来把具有质量的物体加速到光速 。光速是具有正静止质量物体的速度上限,并且单个光子的传播速度不能比光速更快 。这是在相对论能量和动量的许多实验中得以证实的结果 。
洛伦兹因子γ作为速率v的函数 。因子从1开始,并随着v趋向c而趋向无限大 。图:Graph created with KmPlot, edited with Inkscape Trassiorf
更一般地说,信息或能量通常不可能比c传播速度还快 。对此的一个论据来自狭义相对论的一种反直觉效应,即相对同时(Relativity of simultaneity) 。如果两个事件A和B之间的空间距离大于它们之间的时间间隔乘以c,则存在A先于B、B先于A的参考系、以及它们同时存在的参考系 。
因此,如果某物相对于惯性参照系比c移动得更快,那么相对于另一参照系,它将在时间上向后移动,这样一来将会违反因果关系 。在这种参照系中,在其“起因”之前就可以被观察到其“结果” 。这种违反因果关系的行为从来没有观测到过,如果有的话,这将会导致一些悖论(Paradox),比如快子电话(Tachyonic antitelephone) 。
在红色参考系中,事件A发生在事件B之前;在绿色参考系中,两者同时发生;在蓝色参考系中,A发生在B之后 。图:Army1987 created the original PNG file; Acdx converted it to SVG.
比光速更快的观测和实验
在某些情况下,物质,能量或信息的传播速度似乎比c传播的速度更快,但事实并非如此 。例如,在介质部分中光传播的许多波速可以超过c值 。又例如,X射线通过大多数玻璃的相速度通常可以超过c值,但是相速度不能决定光波传递信息的整体速度 。
如果激光束快速扫过一个远处的物体,那么光点的移动速度可能比c更快 。然而,唯一移动的物理实体是激光器及其发射的光,其以速度c从激光器传播到光点的不同位置 。类似地,投影到远处的物体上的阴影可以在时间延迟之后比c移动得更快 。在这些的任何情况下,所有的物质、能量或信息的传播速度都没有超过c值 。
在参考系中两个物体之间距离的变化率(它们的闭合速度)可能会超过c值 。然而,这并不能代表着在单个惯性系中测量的任何单个物体的速度 。
某些量子效应似乎是瞬时传递的,因此可以比c更快,如EPR悖论(爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬) 。一个例子涉及两个粒子可以纠缠的量子态 。直到观测到任何一个粒子,它们都以两个量子态的叠加形式存在 。如果粒子被分离并且观察到一个粒子的量子状态,则可以瞬时地确定另一个粒子的量子状态(即,比光从一个粒子传播到另一个粒子的速度更快) 。然而,当观察第一个粒子时,我们不可以控制第一个粒子的量子态,因此不能以这种方式来进行超光速传输信息 。
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