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光速不可超越,为什么宇宙膨胀和量子纠缠都比光速快?矛盾吗?
发布日期:2020-3-28    点击次数:385

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给运动中的物体输入能量可以进行加速,但物体的移动速度并不会一直增加,而是有极限的,这个极限就是光速。

光速为每秒299792.458千米,代表了宇宙间最快的速度,是不可超越的。光速不可超越源自于爱因斯坦的狭义相对论,狭义相对论认为,任何没有静止质量的物体都会以光速进行运动,光子就没有静止质量,所以它就以光速运动。

而对于拥有静止质量的物体而言,不论它的质量是多少,都只能无限接近于光速,而不可能达到光速。这是为什么呢?根据质能方程可知,有质量的物体随着运动速度的增加,惯性质量也会相应增加,而惯性质量等效于引力质量,物体的运动速度越快,它的质量就越大,而继续加速所需要的能量也就越大。

宇宙膨胀

理论上,随着物体的速度不断接近于光速,它的质量将会趋近于无穷大,而要继续加速,所需要的能量也是无穷大,而根本不可能有无穷大的能量将物体推进到光速,所以任何有质量的物体都无法达到光速。

有质量的物体无法达到光速,而静止质量为零的物体同样不能超越光速。即使我们在一个以二分之一光速运动的物体上点亮一盏灯,这盏灯所发出的光相对于静止的我们而言同样是光速,而并非1.5倍光速,因为光速代表了宇宙中最快的速度,它相对于任何参考系而言都是恒定不变的。之所以出现这种反常识的现象,是因为钟慢效应导致运动中的物体上时间的流逝速度变慢了。那么宇宙中真的没有什么能够超越光速吗?似乎并不是,宇宙边缘的膨胀速度就远超光速。

宇宙自诞生伊始就始终处于膨胀之中,而且距离我们越远的区域,它的空间膨胀速度就越快。

通过测量其它星系和我们之间的距离变化能够很明显的感觉到这一点,比如室女座星系远离我们的速度可以达到每秒1000多公里,而3亿光年以外的星系,远离的速度就达到了每秒6000公里以上,而已知的距离我们最远的星系的远离速度甚至达到了3倍光速,而在宇宙的边缘,空间膨胀的速度就更快了。

那么这是否与狭义相对论中所说的光速最快相矛盾呢?其实并不矛盾,因为光速最快指的是宇宙系统内部的物体运动速度,而时空膨胀和物体运动是两个完全不同的概念。

物体运动指的是物体相对于时空的位置变化,而时空本身则是一个固定的参考系。

表面上看起来,那些遥远的星系在以每秒钟数千公里的速度远离我们,但实际上它们并没有移动,而是它们所处的空间发生了膨胀。换一个说法,一个正在高速远离我们的星系相对于它周围的时空而言,实际上它是静止不动的,是时空本身的膨胀导致了它和我们之间的相互远离。

正是因为宇宙边缘的膨胀速度远超光速,而我们能够看到一个星系是这个星系的光移动到地球上的结果,所以可观测宇宙的范围是有限的,因为对于那些因时空膨胀而以超光速远离我们的星系,它们的光永远无法传递到我们这里,所以我们也永远无法观测到它们,有时这会让我们感到束手无策。

量子纠缠

另一个看似超越了光速的现象是量子纠缠。这里必须要明确光速不可超越的另一个重点,那就是信息的传递速度不可以超越光速。量子纠缠的确能够产生超越光速的反应,但是却无法利用量子纠缠实现信息的传递,所以它与光速最快并不矛盾。

我们经常会听到一种说法,那就是“量子通讯”,这很容易让人产生误会。量子通讯并不是利用量子纠缠实现超越光速的信息传递,事实上也根本不可能实现。量子通讯的本质是对信息进行加密,而并非利用量子纠缠实现通信。在实际的应用过程中,利用量子纠缠现象进行量子秘钥分发就是一个典型的例子,简单讲就是让通信双方同时拥有一个随机的安全秘钥,可以大大提高通信的安全性。

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