為何光速是物體的極限速度?如何超越光速?| 天天觀世界(探秘,宇宙文明,未解之謎,伽利略,物理學,科普,愛因斯坦,知識,相對論)

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歡迎來到天天觀世界,今天我們講的是:光速(探秘,宇宙文明,未解之謎,伽利略,物理學,科普,愛因斯坦,知識,相對論)。
光速是已知的物體最快的運動速度。現在我們知道,光在真空中的傳播速度為每秒29萬9千8百公里。這個數字意味著什麽呢?它意味著原子彈爆炸可以產生巨大的能量。光速和原子彈爆炸有什麽關系呢?
為什麽原子彈的威力如此巨大呢?它跟光速的關系很大。因為原子彈的原理是核裂變,而原子核在裂變時會損失一點點質量,這損失的一點質量會以質能轉換的方式完全轉化為能量。而這個質能轉換的公式就是愛因斯坦提出的E = mc²。E就是能量,m就是質量,而C就是光速(探秘,宇宙文明,未解之謎,伽利略,物理學,科普,愛因斯坦,知識,相對論)。
光速的平方是個非常大的數字,因而只要一點點質量消耗就能產生非常巨大的能量。當年在廣島上空爆炸的那顆原子彈,它裂變導致了大約一克的質量損耗,實際卻產生出了相當於2萬噸TNT當量的能量。它產生的威力讓一座城市瞬間便化為烏有。原子彈的原理證明了質能方程的正確,也從側面證明了光速是多麽的快(探秘,宇宙文明,未解之謎,伽利略,物理學,科普,愛因斯坦,知識)。
那麽,光速是如何被測量出來的呢?為何光速是物體的極限速度?一個人以光速運動會看到什麽呢?超越光速有可能嗎?
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光速是已知的物體最快的運動速度
現在我們知道光在真空中的傳播速度爲每秒29萬9800公里
這個數字意味着什麼呢?
它意味着原子彈爆炸可以產生巨大的能量
光速和原子彈爆炸有什麼關係呢?
當地時間1945年7月16日早上5點30分
人類歷史上的首枚原子彈在美國新墨西哥州索克羅縣的託利尼提沙漠爆炸
在一座30米高的鐵塔上
一顆核裝藥爲5000克的加馬像的不原子彈爆炸
它的中心產生了上千萬度高溫和數十萬個大氣壓
將30米高的鐵塔瞬間氣化
並在地面造成了一個大約1.4米深、80米寬的核彈坑
而該處中的沙子被融化
並變成了一種具有輕度放射性的淺綠色玻璃結晶
這些結晶亦因爲這次核事而被稱爲託利尼提物質
託利尼提物質層的半徑約爲300米
不僅如此
在爆炸時周邊的山有1到2秒時間被照得比日間還要光亮
核爆炸產生的威力毀天滅地
爆炸產生的衝擊波只需40秒就到達了160千米以外
爆炸產生的蘑菇雲高達12.1千米
這顆原子彈釋放出了相當於大約2.2萬噸TNT當量的威力
人類從此進入真正的核子時代
爲什麼原子彈的威力如此巨大呢?
它跟光速的關係很大
因爲原子彈的原理適合裂變
而原子核在裂變時會損失一點點質量
這損失的一點質量會以智能轉換的方式完全轉化爲能量
而這個智能轉換的公式就是愛因斯坦提出的E等於mc平方
E就是能量,m就是質量,而c就是光速
光速的平方是個非常大的數字
因而只要一點點質量消耗就能產生非常巨大的能量
當年在廣島上空爆炸的那顆原子彈
它裂變導致了大約一克的質量損耗
實際卻產生出了相當於兩萬噸TNT當量的能量
它產生的威力讓一座城市瞬間變化爲烏有
原子彈的原理證明了智能方程的正確
也從側面證明了光速是多麼的快
那麼光速是如何被測量出來的呢?
爲何光速是物體的極限速度?
一個人以光速運動會看到什麼呢?
超越光速有可能嗎?
歡迎來到天天觀世界
今天我們講的是光速
光速如何被測量出來的?
如今人們知道真空中的光速約爲三十萬千米每秒
但在17世紀以前
人們一直認爲光是無限快的
它可以瞬間從一個點到達另一個點
甚至連著名科學家開博勒和笛卡爾都對此深信不疑
但一位我們很熟悉的科學家加利略提出了不同的觀點
他認爲光速雖然很快但仍是有限的
並且可以被測量出來
爲了證實自己的猜想
加利略在1607年設計了歷史上第一個光速測量實驗
加利略一行四人分成A和B兩組
分別登上兩座相隔1.6千米左右的山峯
每組都攜帶有一盞改裝過的煤油燈
燈的一面加裝了滑蓋
當放下滑蓋時
從另一座山峯上看亮光就會消失
加利略的實驗方法非常簡單
A組拉開擋板
光發出的同時開始計時
當B組看到光後也立即拉開擋板
A組看到B組反饋的光信號後結束計時
加利略認爲
兩座山峯間距離的兩倍除以計時間隔的時間就等於光速
理論上來講
加利略的實驗沒什麼問題
但加利略沒有預料到光速會如此之快
現在我們知道
光跨越1.6千米的距離只需要18.75萬分之一秒
當時沒有任何計時工具可以達到這樣的精度
此外,加利略也沒有考慮人的反應時間對實驗結果的影響
相對於光在兩座山峯間傳播的時間
人的反應時間相對要長太多了
結果可想而知
加利略的實驗失敗了
但它邁出了人類探索光速的第一步
近代用原始工具測量光速最接近真實數字的是
法國科學家菲索
1850年,菲索用簡單的實驗器材
包括光源,鏡子,齒輪和望遠鏡開始了測量光速
試想一下
光源發出的光穿過齒輪的一個齒縫射到鏡子上
然後光會被反射回來
菲索的實驗是這樣的
開始轉動齒輪在剛開始轉速比較慢的時候
因爲光速很快,光仍然會通過同一個齒縫回來
但是當齒輪越轉越快
達到某個特定速度時
光返回的時候這個齒縫剛好轉過去
於是光就被擋住了
我們就看不到那曙光了
當齒輪的轉速繼續加快
快到一定程度時
光返回的時候恰好可以穿過下一個齒縫
於是我們又能看見這曙光了
這樣的話
只要知道齒輪的轉速
這個實驗最巧妙的地方在於
它不需要用到計時器
通過齒輪的轉速就能計算出時間間隔
就這樣
在菲索不懈的努力下
當齒鼠上升到720尺
光源距鏡子的距離達8000米
轉速達到12.67轉每秒的時候
菲索首次觀察到光被擋住的現象
當轉速繼續提高一倍後
菲索又再次看到了光束
根據實驗結果
菲索計算出光的速度是31.5萬千米每秒
與我們今天熟知的30萬千米每秒的光束
已經很接近了
時間來到了1879年
物理學家邁克爾遜
從事光束測量方面的研究
已經持續了大約50年
他總結了前人的步組
設計出旋轉八面棱鏡法來測量光束
旋轉八面棱鏡法的原理
和菲索的實驗基本相同
邁克爾遜用精確測定的棱鏡轉速
代替了菲索實驗中齒輪的轉速
從而減少了時間測量的誤差
通過實驗
邁克爾遜計算出光的速度是29萬9796千米每秒
在當時
這被認爲是最精確的數據
而邁克爾遜也因此獲得了1907年諾貝爾物理學獎
這之後幾十年裏
新的實驗技術和實驗方法層出不窮
科學家測得的光束值也越來越精確
最終
在1972年
美國標準局艾文森等人
用測量激光頻率和真空中光的波長的方法
測得光束爲29萬9792點458千米每秒
這一數值也在1975年召開的第15屆國際計量大會
被作爲國際推薦值使用
至此
光束的精確數值被最終確認
那麼問題又來了
爲何光束是宇宙間物體的極限速度呢?
爲何沒有發現任何物體的運動能超越光束呢?
爲何光束是極限速度?
讓我們繼續回到愛因斯坦的智能方程
在第一顆原子彈爆炸40年之前
愛因斯坦就已經推導出了智能方程的公式
1905年的9月26日
愛因斯坦的《狹義相對論》正式發表
在論文發表後的第二天
也就是9月27日
愛因斯坦又發表了下一篇論文
物體的慣性同它所含的能量有關嗎?
這篇只有短短數頁的論文給出的結論卻是石破天驚
當時的愛因斯坦還不知道原子核的存在
他也更不知道原子彈是什麼概念
而當時的物理學甚至連原子是什麼都還沒搞清楚
我們假設一下
如果接近光速行駛的宇宙飛船
使用一噸的燃料來給飛船加了個速
它的速度會提升到光速嗎?
在駕駛員看來
他可能感覺自己確實是提升了很多速度
但如果這樣一次次地加速
會不會達到光速呢?
答案是
即使保持消耗的燃料一直都是這麼多
但是飛船增加的速度卻會是越來越少
這就相當於飛船正在變得越來越重
這是狹義相對論的另外一個效應
隨着物體的運動速度變快
運動物體的質量會變得越來越重
也就是說
當一個物體的速度接近光速時
它的質量就會接近於無窮大
這意味着
一切有質量的物體都幾乎不可能達到光速
它需要接近無窮大的能量
物理學家們可以用粒子加速器
讓一個電子達到0.9999倍的光速
但是它永遠都不可能達到真正的光速
那爲什麼光子能以光速運動呢?
因爲光子的靜止質量爲0
它也就不存在加速或減速的過程
光子是瞬間達到光速的
所以光子永遠只有兩個狀態
要麼以光速運動
要麼就消失在我們的世界裏
如果光子有生命
那它的時間就永遠都不會變化
它也不會衰老
愛因斯坦說
科學需要一些想象力
愛因斯坦憑藉着驚人的物理直覺
推導出E等於mc平方這個智能方程
這個公式所包含的物理意義就是
mc平方代表了一個物體的全部能量
哪怕它靜止不動
它的質量本身也具有能量
而狹義相對論推導出
讓一個有質量的物體達到光速所需要的能量
也是接近無窮的
根據相對論
達到光速時間會停止
那麼如果一個人逐漸加速到光速運動
他會看到什麼景象呢
光速對我們來說意味着什麼
光速對我們人類來說意味着多快呢
現在我們來體驗一下
從零加速到光速的整個過程
人類的步行速度是每小時四公里
慢跑時的速度爲每小時八公里
自行車的時速是十五公里
平時看起來動作吃緩的考拉
全速奔跑時的時速卻能達到二十公里
而同樣看似笨重的河馬奔跑起來後的最高時速能達到四十公里
最快的飛人
波爾特在百米衝刺時的時速是四十五點四公里
而家貓在全力奔跑時可以輕鬆超越波爾特
體型巨大的灰熊能以五十六公里的時速奔跑
所以如果人類在野外被灰熊盯上
它是無法靠速度甩掉灰熊的
狼在捕獵時的最高時速可達到六十八公里
它們跑完一百米只需要五點三秒
並且它們可以長時間保持高速奔跑
以此擂垮獵物
獅子被記錄到的最高時速爲八十公里
包括即使擁有如此高的速度
並依靠群體捕獵
它們狩獵的成功率也只有百分之二十到百分之三十
體重六百公斤的金槍魚
可以輕鬆游出一百公里的時速
陸地上奔跑速度最快的獵豹最高時速可達一百二十公里
它們的捕獵成功率可以達到百分之四十到百分之五十
一種叫牛蒙的昆蟲飛行速度可以達到一百四十公里每小時
法拉利、蘭博基尼、保時捷等名牌跑車的最高時速可以達到三百公里以上
商用客機是最快的交通工具
它們的巡航時速一般在八百至九百公里之間
比商用客機更快的戰鬥機可以超過音速
標準大氣壓下的音速爲一千二百二十五公里每小時
在戰鬥機的飛行速度超過音速的一瞬間會發生音爆現象
這時會產生一個震耳欲聾的巨響和可以震碎玻璃的衝擊波
擁有最大運載能力的火箭土星五號最高時速高達九千九百二十公里
所有的阿波羅登月任務都是由土星五號完成的
航天飛機從宇宙空間返回大氣層時的時速爲兩萬七千三百六十公里每小時
這一過程是在人航天中風險最高的環節之一
需要有特殊的措施來保護航天飛機
以避免其受到燃燒振動衝擊等損害
土星圍繞太陽公轉時其平均時速爲三萬五千公里
土星要花三十年才能繞太陽一週
在人飛行器阿波羅十號在從月球返回地球的過程中
最高時速達到了三萬九千八百九十七公里
這是人類乘坐過的所有飛行器中的最高紀錄
木星繞太陽公轉時的平均時速爲四萬七千公里
它繞太陽一週所需要的時間爲十二年
1977年9月發射的旅行者一號是目前距離地球最遠的人造飛行器
它已經穿越了太陽系並進入了浩瀚的星際
它經過幾次加速
現在的速度已經超過了第三宇宙速度
爲六萬一千二百四十千米每小時
西科蘇魯伯隕石估算直徑十指十五公里
它於六千五百萬年前
以時速七萬兩千公里的速度撞擊了墨西哥尤卡坦半島
它釋放出相當於二百萬倍沙黃清淡的能量
它墜落後引發大規模海嘯
並使大量高熱灰塵進入大氣層
長時間遮蔽陽光使植物無法進行光合作用
最終導致恐龍滅亡
地球圍繞太陽公轉的平均時速
比西科蘇魯伯隕石的墜落速度還快
爲十萬零七千二百零八公里每小時
從地球起飛的航天飛行器
甚至借用地球的公轉速度
獲得了很大的初始速度
水星的平均公轉時速高達十七萬公里
它八十八天就可以繞太陽一圈
是太陽系最小最快的行星
哈雷彗星的最高時速爲十九萬八千公里
它每隔七十五年才能從地球上被觀測到一次
NASA於二零一八年發射的派克太陽探測器
時速達到了三十四萬三千公里每小時
是目前人造飛行器的最高時速
它在二零二五年最接近太陽時
速度將達到六十九萬公里每小時
這一速度相當於光速的百分之零點零六四
而宇宙中物體最快的速度光速
爲十億八千萬公里每小時
當人們漸漸接近光速時
我們將看到以下景象
在我們前進方向上的事物
將看起來都蒙上了一層藍色
而我們身後的事物將看起來像蒙上了一層紅色
這個現象是由光的多普勒效應引起的
具體來說
前進方向上的光由於其波長相對變得越來越短
所以會越來越接近藍色
而身後的光由於波長變得相對越來越長
所以它會越來越接近紅色
當我們進一步加速後
由於光形差造成的影響
這時所有的光都看似是來自我們前方
這個原理類似於下雨的時候
如果我們開着車在雨中高速前行
雨滴看起來就像是從前方傾斜落下一樣
同時當移動速度接近光速時
還會發生洛倫茲收縮效應
所有存在於我們前進方向上的事物
在我們看起來都將開始縮小
當我們的速度接近光速時
被我們甩在身後的事物
發出的光將開始追不上我們
所以我們所能看到的視野將會變得越來越小
同時由於波普勒效應仍然存在
我們視野中的光氣波長將越來越短
它們逐漸從藍色變爲紫色
然後更進一步變爲紫外線
也就是說可見光將漸漸消失
這意味着如果我們的移動速度達到光速
可見光將從我們眼前完全消失
這時的我們看到的將會是一片黑暗
剛剛我們提及物體達到光速需要的能量是接近無窮大的
那麼有沒有辦法讓物體超越光速呢?
物體如何才能超越光速?
根據狹義相對論
在廣袤烏雲的宇宙中
物體運動的上限是光速
每秒最高可以移動三十萬公里
即使我們能把宇宙飛船加速到光速
到達距離我們大約4.3光年的恆星系統
以臨行並返回地球也需要近十年的時間
此外宇宙飛船本身還得考慮能量限制的問題
因此要實現星際旅行就得突破光速極限纔有可能
物理學界目前有兩種方案可以實現超越光速
第一種大家可能都有聽過
就是利用蟲洞
蟲洞又稱愛因斯坦·羅森橋
它是一種連接時空中不同點的結構
它是基於愛因斯坦場方成的特殊解
蟲洞可以想象成一條隧道
其兩端位於時空的不同點
它們可能是不同的位置和時間
它就像是通往意識界的大門
穿越它就能瞬間達到百萬光年之外
第二種方法就是我們在很多科幻電影中
看到的一種加速技術
驅速引擎
在電影《星際迷航》中
企業號宇宙飛船可以利用高於光速9000倍的速度航行
如果使用企業號飛到比林星
那麼只需要9個小時就可以實現一個來回
那什麼是驅速引擎呢?
驅速引擎是一種超光速推進系統
可以將宇宙飛船周圍的空間進行扭曲
讓飛船前面的空間被壓縮
後面的空間被拉長
而宇宙飛船本身被一個沒有扭曲的驅速炮包圍着
這樣似乎不是飛船在動
而是空間在扭曲流過飛船
比如一個人在自動扶梯上行走
儘管人在扶梯上走得很慢
但是代表空間的扶梯的移動速度是很快的
這樣看來飛船的速度就超過光速了
但實際上
這只是一種表觀超光速
宇宙飛船並沒有實現超光速飛行
而是空間不斷收縮膨脹
把星際旅行的路程縮短了而已
簡單來說
就是帶有驅速引擎的宇宙飛船
把周圍的時空高度扭曲
在時空中打開了一個快速通道
飛船在通道里航行
還有人可能會有疑惑
這是否違背愛因斯坦的相對論
空間可以擴張和收縮嗎?
根據廣義相對論
空間是可塑的
它可以彎曲伸展
我們現在所處的地球周圍的空間就是彎曲的
這是因爲巨大質量的地球的引力在起作用
同樣道理
宇宙空間也在擴展
當你通過天文望遠鏡觀察時
你可以看到遙遠的星系發生了紅移
這意味着這些星系和我們之間的空間正在擴大
假設擁有曲速引擎的宇宙飛船的速度比光速快十倍
到達火星僅需75秒
從地球到太陽所需的時間更少
大約50秒
我們的眼前就能出現一個鋪滿整個世界的火球
到達太陽系的邊緣奧爾特雲只需要大約72天
在太空停留了83天后
我們將到達4.3光年邁的比林星
這是一個擁有潛在宜居星球的恆星系統
我們人類第一個星系外移民地可能將會在此地建立
但人類的探索不會就此止步
兩年多後我們抵達下一站
格里澤667cc距離地球大約23.5光年遠
這是一顆位於三顆恆星組成的恆星系統的行星
質量是地球的4.5倍
它和恆星的距離正好使得它位於宜居帶
是我們尋找液態水存在行星中的最佳候選行星之一
科學家猜測它上面很有可能存在生命
要是還想走得更遠
比光速快十倍遠遠不夠
如果快一千倍結果會如何
那麼宇宙飛船大概只需要437天
就能達到可能存在生命的開卜勒系外星星
但即使超越光速的限制
我們人類也依然要花費數年的時間進入太空旅行
去尋找其他宜居的世界和外星人
如果它們存在的話
宇宙很大
而且它還在不斷膨脹中
即使真的發明出了曲速引擎
我們也沒有辦法穿越整個宇宙
我們的銀河系大約有十萬光年的直徑
即使我們人類可以每小時飛行一光年的距離
也大概需要11年的時間才能穿越到銀河系的另一邊
而我們有史以來最快的宇宙飛船諸諾號
比我們假設的光速航天期慢9000倍
人類要想達到星際旅行的水平
還有很長的路要走
而要使用曲速引擎需要大量的能量
也許我們應該從尋找合適的資源入手
比如說先在太陽周圍建出一個戴森球
滿足我們的能源需求
這就回到了我們之前說過的宇宙文明等級的話題
在解毒匪米貝論的影片裏有提及
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