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它将何以渡过,有当先光速的存在吗

2019-08-22 22:49

简单地说,它们从产生它们的电磁相互作用中获得能量,而光子就是电磁力的载体。

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狭义相对论,即使已经存在了100多年,仍然是关于宇宙本质最令人困惑和发现之一。我们在地球上习惯的牛顿物理定律,在几乎所有的条件下都是有效的,但在接近光速的情况下就不成立了。时钟以不同的速度运行,距离会发生变化,物体本身的颜色也会根据它们相对于你的速度而变化。然而,与此同时,相对论宣称,对于所有的观察者来说,物理定律都是相同且不变的,无论它们的运动如何。那么这对光子意味着什么,它本身以光速运动?

答案是有,宇宙的膨胀速度将最终超越光速。解释超光速是如何发生的有点复杂,因此我们还是先从宇宙的最初—大爆炸说起吧。在大约140亿年前,宇宙中的所有物质开始向各个方向飞散,时至今日,大爆炸仍在驱使星系向外运动。科学家之所以知道宇宙在膨胀,原因之一就是多普勒效应。星系在远离地球时,它们发射出的光的波长也在发生变化,这就和救护车从身边驶过时,警笛声调的变化情况相似。

光子不像普通物质,因为它们没有静止质量。所以每当我们谈论物理或接近光速的运动时,我们必须使用一套全新的规则,即相对论。

让我们想象一下在三种情况下会发生什么:对于静止的人,对于接近光速的人,光子本身。

拿距我们30亿光年之外的长蛇座星系团为例,通过观察该星系团发射出的光,天文学家已经测出了地球到它的距离。长蛇座星系团的氢原子所发出的光在通过棱镜后,形成了红色、蓝绿、蓝紫和紫色四条谱线。但是当该光到达地球时,整条光谱都向红色,也就是低能量的一端移动了。在光横跨宇宙的过程中,光的波长被拉长了。光行走的路程越长,波长就变得越长。同理,光谱越偏向红色,光行走的路程就越长。波长偏移的大小称之为红移,它能帮助科学家弄清宇宙中恒星的运动。而长蛇座不是唯一一个有红移现象的远距离星系团。由于宇宙正在膨胀,所以所有的天体都在红移。观察长蛇座星系团的红移现象要稍微容易点,因为星系离地球越远,它远离地球的速度也就越快。

用E = MC^2重新排列C = ^ sqrt,我们可以推导出,对于质量的增加,当接近C时,能量也会增加。

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美国约翰霍普金斯大学的物理学家查尔斯·贝内特 (Charles Bennett)认为,宇宙膨胀的速度没有上限。但爱因斯坦的理论“没有什么的速度能比真空中的光速还快”仍是正确的,因为是空间本身在膨胀,而空间什么都不是。物体运动的速度或者信息传递的速度依然无法超越光速。星系们并不是在静止的空间内运动并相互远离对方的,它们就像一块膨大着的面包中包裹的葡萄干,是随着空间一起运动的。有些星系已经离我们十分遥远了,它们的速度快到了从它们星系射出的光线永远到达不了地球的地步。贝内特举例说道:这就像5000米赛跑,你在奔跑的同时跑道也在延伸,如果跑道延伸的速度超过你的速度,那么你就永远到不了终点。

在C点,一个有质量的物体需要无限的能量,同时它的质量也趋向于无穷,这就是为什么其他静止质量大于零的粒子不能达到C,而光子可以违反这一点。

1)。一个处于静止状态的观察者。你在那里,相对于你周围的环境,在休息,看着你面前的宇宙。你的时钟以它一贯的速度滴答作响。你看看你所处的环境,你所看到的时钟都在以与你相同的速度运行。物体看起来就是它们实际的颜色,它们实际的大小,没有什么是违反直觉的。不管你是向后看还是向前看,一切似乎都是如此。

随着宇宙继续加速膨胀,这样逃出视界的星系将越来越多,在遥远的未来,可见的宇宙范围内将只剩下银河系自己孤零零的一个。

它们的频率与它们在纯真空中以光速(即所有电磁波的速度)传播的能力有关。这个速度是一个常数C,速度为 299 792 458米/秒。

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本文编译自: 《大众科学》网站9月20日
原文: 请看这里
编译者: 风之精灵王
图片: Everett Collection

现在,由于光子没有静止质量,因此在哪里获得能量后,光子的能量就会等于光速,所以可以达到这个速度C。

这是你对这个世界的传统体验。在地球上,典型的人类速度与光速相比微不足道。即使在以声速飞行的飞机上,你也只能以光速的0.0001%飞行。从相对于你周围的静止位置,你看到三维宇宙的方式是一致的。

(果壳环球科技观光团微博 )

现在,如果一个普通的物体在地球上走了很长一段距离(例如,想象一个球沿着长长的走廊滚动),摩擦力最终会使物体减速到停止运动。

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2)。接近光速的观察者。这就是事情开始变得奇怪的地方。想象你以接近光速的速度,在一个特定的方向上,相对于静止的环境。你会注意到的第一个区别是时间。和你一起走的时钟仍然以你过去的速度走。但是环境中的时钟呢?他们似乎都跑得很慢。

光子不会受到同样的摩擦,因为它们没有之前所说的质量。所以可以到达我们地球。

原因很简单:空间和时间不是独立的实体,而是不可分割的相互关联的实体。宇宙中的每一个物体都在时空中运动,所以它的总运动加起来就是一个特定的值。当你相对于空间静止时,你的运动是100%通过时间的,时间以每秒一秒的速度通过每个人。但是当你通过空间增加你的运动,你通过时间减少你的运动。相对于您,环境的时钟似乎运行得很慢,因为整个环境似乎在移动。

但光子在从遥远的恒星到达地球的过程中,也会以其他几种方式失去能量。

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如果光子沿着它的路径遇到一个原子,这个原子可以吸收它,然后以较低的能量重新发射光子。

宇宙飞船到达目的地的旅行时间,如果它以等于地球表面重力加速度的恒定速率加速,如果有足够的时间,你可以去任何地方。相对于您的环境高速移动还会产生许多其他影响。长度和距离沿着你的运动方向收缩,这是相对性的相似要求。因为对于所有参照系中的所有观察者来说,光速必须是不变的,如果时间过得更慢,那么距离需要缩小,以便光速保持不变。

光子也可能遇到粒子并被散射,在这个过程中它的能量会被粒子吸收。然而,由于宇宙大部分是广阔的开放空间,这些事件通常不会阻止恒星的光线到达我们眼睛。

除了长度的收缩和时间的膨胀,还有另一个效应在起作用:红移和蓝移。在你移动的方向,光的波长看起来被压缩了,看起来更蓝;而相反的方向,你接收到的任何光线都会被拉长,波长更长,颜色更红。

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最后,还有一种机制在起作用,它降低了我们从遥远物体接收到的几乎所有光子的能量——宇宙的膨胀。

你走得越快,这些影响就越严重。物理物体的距离收缩越来越严重,甚至带电粒子产生的电场也沿其运动方向收缩。时间膨胀得更厉害。而且红移和蓝移在超高速下是如此严重,以至于大爆炸留下的光子,其能量目前仅相当于3k,当它们通过E = mc^2在足够高的蓝移下与质子碰撞时,也能自发地产生新的粒子。

你可能听说过“红移”这个词,它描述的是光从较短波长到较长波长的转变,离开远离观察者的物体。

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由于宇宙在膨胀,从我们的角度来看,其他星系似乎正在远离我们。我们从这些星系探测到的光仍然可以到达我们这里,但这是一种红移的光。

时间的膨胀和长度的收缩表明,当你越接近光速时,时间似乎跑得越慢,距离似乎越小。当你接近光速时,时钟会向完全不经过的时间膨胀,而距离会缩小到无穷小。3)。以光速运动的观察者。这才是真正的麻烦所在。如果你只是一步步地接近光速,你只会经历更严重的时间膨胀,长度收缩,以及相对于你自己的红移和蓝移。当你靠近苹果时,苹果会呈现出黄色、蓝色和紫色;当你远离香蕉时,香蕉会呈现橙色、红色。

实际上离开星系时,较长的波长意味着较低的能量光子。光子能量的减少程度取决于遥远星系离开我们的移动速度。

但如果你真的达到光速——如果你是一个光子,你就会体验到这种速度——时间和空间就不会再像你过去习惯的那样运转。如果你以光速相对于你周围的环境运动,那么你周围的环境就会显得与你毫不相干。因为它的运动看起来是以光速进行的,所以不可能有额外的运动让光子相对于你的周围运动。

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所有的狭义相对论方程都以光速分解。时间不会随着环境而流逝。沿运动方向的所有距离都缩小到零。红移和蓝移的数量是无限的。

基于这一点,直觉可能很诱人,因为沿着你的运动方向的距离收缩到零,宇宙对你来说就变成了二维的。这个时间不会过去——所以它是永恒的——它看起来就像一个平面:无限长度的收缩。因此,一个光子,看到你用桌上的香蕉代替了一个苹果,会同时体验两者的存在。

但现实中发生的事情或许更令人吃惊。

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事实证明,光子不能看到或体验任何东西。时间确实不经过光子:在相对论中,它代表我们所说的零测地线。它从起始点到终止点:从发出它的地方到另一个吸收它的地方。这就是所发生的无论它是发射/吸收,发射/反射,散射相互作用,还是与另一个粒子的任何形式的相互作用。

当你问一个光子会“看到”什么时,你是在假设某物有可能与光子相互作用,而光子也有可能以某种方式体验到这种相互作用。然而,在它存在的过程中,它所经历的只是两件“事情”:创造它的交互作用和破坏它的交互作用。是否有光子在破坏后仍然存在。光子所经历的一切都是光子旅程终点的两个事件。

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这就是为什么我们要求在惯性参照系中进行相对论计算。如果我们使用比光速慢的参考系,而不是从光子的参考系出发,我们可以计算出光子的红移或蓝移。从惯性参照系,我们可以计算它的发射和吸收点之间的距离,但不能从光子的参照系。我们可以从任意惯性参照系计算它的光传播时间,但不能从光子参照系计算。

问题是光子的参照系不是惯性参照系:在惯性参照系中,存在不依赖于系统外部任何物体运动的物理定律。然而,对于光子来说,它所遵循的物理规则完全依赖于它外部发生的一切。光从光子的参照系无法计算出任何有意义的东西。

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这是因为光子——以及所有以光速运动的粒子——缺乏静止质量。静止质量是在惯性参考系中需要的质量!光子根本看不见宇宙,因为看需要与其他粒子、反粒子或光子相互作用,一旦这种相互作用发生,光子的旅程就结束了。

根据任何光子,它的存在是瞬时的。它通过相互作用而存在,又通过另一种相互作用而消失。这可能是遥远的恒星或星系的辐射,它到达你的眼睛,不管它是我们自己的太阳还是数百亿光年以外的物体。当你以光速运动时,时间就不再流逝,你的生命只会持续一瞬间。

物理学家经常开玩笑说,时间是我们必须防止所有事情同时发生的东西。但真正的笑话是在任何物体上,它是如此不幸地以光速体验宇宙。如果你这么不幸,你就什么也看不见、听不见、感觉不到了。你根本无法体验存在。

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