我必须告诉你们一个让人大吃一惊的事实:我们确实有可能突破光速的壁垒!别太惊讶,这可是千真万确的事情,尽管我们需要用点小花招、打破常规才能达成这一壮举,稍后我会细细道来。首先,让我们先抛开相对论,探讨一下为何我们不能突破光速的屏障。

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至今为止,人类所触及的速度极限发生在粒子加速器中。这样的设备是利用电场将粒子加速到极高的速度,并通过磁场将这些带电粒子限制在环形加速轨道中。换句话说,磁场越强、加速环越大,粒子所能获得的能量就越高。

以大型强子对撞机为例,那里的质子被加速到6.5 TeV的能量,速度逼近了0.999999896c,相当于299,792,455米/秒。这个速度与光速极其接近,但严格来说并没有超越。而质子并不是人类所能加速的最快速度。

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你们是否还记得电子?电子的质量可是比质子轻了1836倍。在LEP电子对撞机中,电子的能量达到了104.5GeV,成为人类历史上加速度最快的粒子,速度为0.9999999999888c,相当于299,792,457.9964米/秒,只比真空中的光速慢了3.6毫米/秒。

此时,你或许会纳闷,只差了微不足道的3.6毫米/秒,难道我们不能再加把劲吗?是否缺乏更高能量的粒子?答案是肯定的!尽管人类无法制造出更高能量的粒子,但宇宙却可以,例如黑洞旋转的吸积盘产生的磁场比人类所能创造的强上十亿倍,其喷射出的宇宙射线(主要是质子流)能量可飙升至10的19次方ev以上。

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那么,为什么宇宙的速度极限不能被突破呢?

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即便拥有如此惊人的能量,为何这些粒子还是不能超越光速呢?这就涉及到了宇宙速度的限制,或者说是能量的极限。当一个粒子的能量达到5×10的19次方eV以上时,宇宙似乎开始起了作用,限制其能量不越过某个阈值。这个阈值便是我们所称的GZK极限值。

GZK极限是由Greisen、Zatsepin、Kuzmin三位科学家姓氏首字母命名的理论极限,它描述了来自宇宙深处的高能粒子理论上所应具备的极限值。当粒子能量超过这个极限,它在空间中会与微波背景辐射中的光子发生作用,产生一个中性π介子,而每个中性π介子会消耗135Mev的能量,直至粒子能量降至允许的极限值为止。这个极限意味着,即便黑洞能量再高,产生的质子速度也只能是299,792,457.99999999999999999999918米/秒,依旧无法触及光速或超光速。

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有人可能会问,如果宇宙微波背景辐射随着宇宙膨胀最终消失,那速度是否就可以超光速了呢?答案是否定的。空间的膨胀只会导致光子的能量更低,甚至低至无限,或者波长被拉伸至无线电波的极限,但光子永远不会彻底消失。这便是解释宇宙极限速度的其中一种方法。

但如果我们换到相对论的角度来考虑,又会得到怎样的解释呢?

相对论认为,光速是宇宙的极限速度,是宇宙运行的基本法则。随着速度的提高,你在空间的维度会相应缩小,同时你的生物钟运行速度会减慢。换句话说,时空是可以弯曲和扭曲的。

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如果你仔细分析爱因斯坦相对论的核心方程式,你会发现,当速度接近光速时,你前进方向的空间维度会收缩至零,而你的时间流逝也会慢到停止。一个没有时间流逝、空间为零的参考系,实际上是不存在的。因此,相对论告诉我们,没有任何物体的速度能超越光速,因为空间和时间在这样的速度下根本就不存在。由于“速度”的概念是测量物体在一定时间内通过的空间距离,在超越光速的情况下,速度的概念在物理上是失效的。所以“比光速更快”这样的说法在物理中是没有意义的,就如同“比黑色更黑”一样。

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尽管有人质疑爱因斯坦相对论的正确性,但众多的科学证据都支持这一理论。如果相对论是错误的,那么基于光速不变原理建立起来的相对论大厦,早已因无法承受证据的冲击而崩溃。

然而,我为何又说光速是可以被超越的呢?

实际上,“光速极限”更精确的说法是:“在本地空间内,没有任何物体的速度可以超过光速。”但是,如果我们从非局部的尺度来看,确实有可能获得比光速更快的有效速度。

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例如,假设虫洞存在,你可以通过它获得从地球到北极星的捷径。你将比没有穿过虫洞的光先抵达北极星。这便是一种被允许的超光速。因为你在任何时刻都没有在本地空间中超过光速。如果一束光与你同时从地球出发,经过虫洞到达北极星,那么你永远不可能跑赢这束光。

再如,在宇宙中,有的遥远恒星间的碰撞速度甚至超过了光速。这是合法的,因为星系并不认为自己在本地空间内移动。

最后,我们经常会在核反应堆中看到蓝光,这是切伦科夫辐射,光子在水中受到速度限制,而电子的速度则超过了光速!当然超过的并不是真空中的光速,而是水中的光速。

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所以,关于光速的极限,关键在于我们如何定义速度和空间,以及我们是在局部还是非局部的尺度上来讨论这个问题。