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这就是宇宙极限速度为299792458米/秒的原因
2021-11-17 00:56
本文摘要:我们都知道宇宙的极限速度为299792458米/秒,这个速度是宇宙中任何形式的能量所能到达的绝对最高速度。引力波以这种速度运动,光在真空中以这种速度运动,理论上胶子也以这种速度运动!简而言之,物理学家把这个速度称为宇宙极限速度C,我们需要明白的是,这个速度并不是光的专利,无质量粒子都可以到达这个速度!可是无论我们如何努力,永远不会到达光速。 原因很简朴,因为我们有质量。

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我们都知道宇宙的极限速度为299792458米/秒,这个速度是宇宙中任何形式的能量所能到达的绝对最高速度。引力波以这种速度运动,光在真空中以这种速度运动,理论上胶子也以这种速度运动!简而言之,物理学家把这个速度称为宇宙极限速度C,我们需要明白的是,这个速度并不是光的专利,无质量粒子都可以到达这个速度!可是无论我们如何努力,永远不会到达光速。

原因很简朴,因为我们有质量。但我们必须明白的是,对于一个有质量的物体,我们可以对它举行无限加速,物理公式并没有说不让我们到达光速,只要我们拥有无限的能量,我们人类现在确实无法缔造出这么庞大的能量,可是人类不行,宇宙可以啊,把一个质量粒子加速到超光速的能量对超新星、类星体、黑洞来说小意思,可是我们为什么没有发现超光速质量粒子呢?纵然拥有庞大的能量,为什么质量粒子的速度还被限制299792458米/秒之下?我们宇宙的极限速度为何是299792458米/秒?人类的速度极限但这并不意味着我们人类会满足于90%的C,或者99%,甚至99.9999%,我们一直再为分外增加速度,分外增加能量,分外增加推力而奋斗,为越来越靠近无法到达的极限C而努力。

在欧洲核子研究中心(CERN)我们已经将粒子加速到很是靠近C,我们还发现了希格斯玻色子。通过将两个质子相互撞击,(一个质子以299792447米/秒的速度朝一个偏向运动(仅比光速低了11米/秒),另一个质子以同样的速度朝相反的偏向运动)我们就能发生强大的高能粒子,其能量上限只受爱因斯坦的E=mc^2限制,基本上可以完全释放粒子质量所携带的能量。在厥后的大型强子对撞机中,这个速度增加到299792455米/秒,这些质子将是迄今为止地球上速度最快的质子。

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但它们并不是我们缔造的速度最快的粒子。因为质子是一个相对较重的粒子,比围绕它旋转的电子重了1836倍!要使电子到达同样的速度只需要加速质子能量的1 / 1836(或0.054%)。这意味着大型正负电子对撞机LEP(大型强子对撞机LHC的前身)能够将电子加速到极高的速度。

那么速度是几多?299792457.9964米/秒,或者说是惊人的99.99999988%C,仅仅比真空中的光慢3.6毫米/秒!但这些数字只是在我们地球上缔造的,我们用超导电磁加速器加速粒子,我们的能量泉源于微不足道的化学能源。与来自宇宙的能量相比,我们人类缔造的能量简直太小儿科了。

高能宇宙射线所携带的能量在宇宙中充满了坍缩的恒星、超新星和超大质量黑洞,包罗上图中活跃星系中心的黑洞,那里的磁场是我们在地球上缔造的磁场强度的数十亿倍。宇宙射线主要由高能量质子组成,从各个偏向穿过宇宙空间,我们对撞机中加速的粒子所携带的能量与之相比基础不在一个数量级上。

宇宙的高能粒子发生时,最高的能量不再是用Gev(10^9 ev), Tev(10^12 ev)甚至是Pev( 10^15 ev)来权衡。这些宇宙射线中的能量可以一路飙升到10^19 ev以上!这么高的能量,这时你可能会认为,这些质量粒子会不会被加速到光速或者凌驾光速呢?理论上是可以的,上文说过加速只需要足够的能量!可是宇宙似乎对物质携带的能量有限制。

因为当能量在5×10^19 eV以上时,宇宙不会让粒子保持在这个能量之上!无论最初缔造的粒子携带的能量有多高,这些粒子流传时都必须穿过大爆炸留下的微波辐射。微波辐射平均温度约为2.725开尔文,比绝对零度高不到3度。如果我们要盘算每个光子的均方根能量,约莫是0.00023电子伏,一个很小很小的数字。正是这些微弱的微波辐射缔造了宇宙的速度极限!高能带电粒子穿过微波辐射时有机率与光子发生相互作用,那么就泛起这种可能性:如果能量允许,凭据E=mc^2,高能带电粒子与光子作用会发生一个新的粒子!粒子不能免费获得能量;它必须来自缔造它的系统!高能粒子在能量值10^17ev开始,就会在碰撞中发生正负电子对,但这是一个能量损失很是低效的历程,粒子可以在该能量之上流传数亿光年。

可是更高能量的粒子碰撞还会发生最轻的强相互作用粒子中性π介子,每一个π介子会损耗135Mev的能量。有一个能量阈值称为GZK极限值,高于5×10^19 eV的高能粒子与微波发射发生作用就会发射中性π介子,直到低于这个能量阈值!(如果高能粒子有更高的能量,就会发生其他粒子,能量损失的更快!)GZK极限是以提出者Greisen、Zatsepin、Kuzmin三人姓氏之首字母为名的理论上限,形貌源自远处的宇宙射线应有的理论上限值。最近几年一些科学家认为在地球上观察到的宇宙射线中的粒子能量凌驾了这个阈值,这意味着观察到的高能粒子很可能是在我们星系中发生的,流传距离短,能量还没来得及损耗到极限值以下,要么就是我们对相对论的明白有问题(险些不行能)。另有另外一个被大多数科学家接受的可能性,那就是我们丈量这些前所未有的高能量粒子存在一些问题。

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现在观察宇宙高能粒子的两个最先进的天文台/实验,皮埃尔·奥格天文台和高分辨率复眼实验,并没有发现凌驾5×10^19 eV的宇宙射线。当一个质子以GZK极限运动时,你知道这个极限能量对质子的速度意味着什么吗?299792457.99999999999999999999918米/每秒。

从数字上看基本已经到达了光速,或者我们换个角度看看,如果一个拥有GZK极限能量的质子和一个光子角逐,飞往离我们最近的恒星比邻星(上图中间红色的恒星),不行否认光子会先到达,可是质子仅落伍22微米,700飞秒后到达。如果质子和一个光子一路飞向距我们254万光年的仙女座星系,然后再飞回来,这个旅程将需要快要500万年,质子可能会迟到约莫13秒。我们所知道的每一个带电粒子、每一束宇宙射线、每一个质子、每一个原子核都受到宇宙极限速度的限制!其实只是比光速低了那么一点点,所以当我们梦想着在宇宙中超光速旅行时,这个想法真的很危险!因为来自宇宙大爆炸的微波辐射会立刻与我们发生相互作用,损耗能量的同时顺便也会把我们烤焦!这就是宇宙限制所有物质速度的原因!。


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