愛因斯坦是說有質量的物體不可能達到光速,他又說宇宙膨脹超過光速,是否自相矛盾?

宏樂183


愛因斯坦狹義相對論關於光速的完整描述應該是:“靜止質量不為零的物體無法達到或者超過光速,信息和能量的傳遞速度無法超過光速”


“有質量的物體無法達到光速”背後的原因是由於愛因斯坦根據之前“邁克爾遜莫雷實驗”的結果推導出了“質能相當原理”,不過該原理除了限制物體運動速度外也讓人類意識到了原子核內部蘊含著巨大的能量,可以說二戰時期的原子彈和後來的氫彈以及核反應堆背後都有質能方程E=MC²的影子。

在該方程中E是物體所具有的能量,M是物體的質量,C是光速,也就是說“物體蘊含的能量等於它的質量乘以光速的平方”


愛因斯坦用這個簡簡單單的方程打通了質量和能量互相轉化的通道,而擁有質量的宇宙飛船在向光速發起衝擊的過程中需要消耗大量能量,與此同時質能相當帶來的質增效應會將飛船髮質量急劇放大,這樣一來就需要更多的能量才來對飛船進行加速。

所以在狹義相對論中,當物體的運動速度趨於光速時慣性質量就會趨於無限大,因此愛因斯坦才斷定“靜止質量不為零的物體無法達到光速”


2011年時歐洲核子研究中心公佈了“奧佩拉”研究團隊發現的“中微子超光速現象”,該消息馬上在科學界引起了“大地震”,但由於大多數物理學家都對“中微子超光速”持懷疑態度,所以美國費米實驗室也準備一次“中微子測速”,不過實驗的準備時間至少需要兩年。

但僅僅一年後的2012年3月16日,歐洲核子研究中心宣佈去年的“奧佩拉”實驗結果存在誤差,中微子實際上並沒有超光速,而引起誤差的原因則是“實驗設備連接線沒插好”。

上個世紀初埃德溫.哈勃發現的宇宙空間膨脹佐證了宇宙大爆炸理論,而宇宙大爆炸理論認為在宇宙早期乃至現在,宇宙空間本身都在超光速膨脹,但這種空間本身的膨脹並不在狹義相對論約束的範圍內。

量子糾纏的“超距作用”雖然已經被實驗證明了,但是它本身並不傳遞信息,因此也就不違反愛因斯坦的狹義相對論。



有趣的是劉慈欣《三體》在中為了讓信息可以跨光年瞬間傳播,還專門科幻出了“可以傳遞信息的量子糾纏技術”,於是就有了“無孔不入無所不知”的“智子”

宇宙探索未解之迷


正如題主所說的那樣,愛因斯坦的狹義相對論只是限定有質量的物體不可以超過光速

注意這個限定詞:有質量,更準確地說是:有靜止質量的物體不可以達到光速

那宇宙中有很多速度現象,並不全是物體運動所為

比如生活中,我們經常描述完成一個任務的進度也會用速度來表示

這時候速度就是工作總量除以時間

更寬泛地說,速度也可以用來表示人的情感

比如愛上一個的速度可以用相識的天數與感情深厚程度來體現出來

速度是寬泛的概念,我們必須理解這一點

在物理學中,特別是狹義相對論中 速度往往只是空間與時間的結合體 。因為空間的量化是長度、距離等

狹義相對論表達的速度不可以超過光速,必須有兩個限定才能成立

第一個:抽象出的速度概念必須基於有靜止質量的物質

第二個:抽象出的速度概念特指被時間和空間度量出來的速度, 而不是寬泛意義上的速度

根據最新的大爆炸理論,我們知道宇宙初期的暴漲速度的確超過光速,但是這種膨脹是空間的膨脹,而空間並不屬於有靜止質量的物質範疇

所以狹義相對論是無權干涉宇宙膨脹速度的變慢

為什麼有靜止質量的物體不可以達到光速?

對於初學相對論的讀者來說

他們會第一時間搬出狹義相對論公式中的洛倫茲因子(1-v²/c²)½來解釋

因為在式中v代表有靜止質量的物體的速度

一旦v等於光速c,那麼數值將變得毫無意義

於是乎得到v只能小於c

其實這樣的解釋完全是本末倒置。

因為洛倫茲因子恰恰是基於光速不變的事實推理出來的結論,有質量的物體不可以達到光速的結論是先基於光速不變的前提而推理出來的

所以要解釋為什麼有質量的物體不可以達到光速的問題又回到了“為什麼光速不變”上

而光速不變是自然現象,物理學只是歸納自然現象的一般性規律,而不能從根本上解釋自然現象為何如此

即便可以“解釋光速為什麼不變”,那麼用來解釋光速的理論為什麼會存在又是一個需要被解釋的問題,這樣只是把因果關係向前推理一步而已

而科學的進步就是人類在好奇心的驅使下不斷將自然現象的因果律向前推動的過程

比如當牛頓看見蘋果落地 會發問:為什麼它不朝天上漂,而是落地?

於是歸納出萬有引力

而後人繼續發問:為什麼會存在萬有引力?

愛因斯坦回答到:引力的原因是時空的彎曲

從萬有引力到時空彎曲就是因果律的進步


科學認識論


自然界是不連續的,存在著質的變化。所以,創造我們人類並且仍然在影響著我們人類的宇宙,只是自然界的一部分。在其解體之前,宇宙是一個相對獨立的封閉體系。

又由於普朗克常數h的被發現,以及所有的物理現象都需要用該常數給予解釋,說明我們的宇宙是量子化的,確切地說是由不可再分的量子構成的。

此外,由於物體的體積只是粒子高速運動產生的屏蔽效應;而且,當我們的認識超出宏觀範圍時,發現物體的行為需要外在的物理背景來給予說明,如微觀粒子具有波動性。說明空間和物質並非我們原來認為的,即空間只是承載物體的幾何框架以及物質具有實體性。這是一種陳舊的機械宇宙觀。

於是,我們獲得了一個新的量子宇宙觀:

離散的基態量子構成空間,受到激發的量子成為光子(能量),由高能量子組成的封閉體系就是物質。一切物理現象都只是量子的三種不同狀態的相互影響、相互作用和相互轉化的結果。

所以,宇宙的膨脹速度和宇宙內部傳播的速度(光速)是兩個完全不同的概念。

宇宙膨脹的速度取決於宇宙內外部能量密度即壓強的對比,類似氣球🎈的膨脹。

宇宙內部的傳播速度即光速則取決於光子的靜質量和宇宙內部空間的量子密度。

上述兩個速度的變化是反向的,宇宙膨脹的速度會隨著宇宙的膨脹而減小,宇宙內部的傳播速度即光速卻會隨著宇宙內部空間密度的下降而增大。

因為,光速是光子維持其相對於空間勢能的速度。類似赤腳🦶划水運動,水的比重越小,需要維持站在水面上的速度就越大。

總之,宇宙膨脹的物理機制不同於宇宙內部傳播的物理機制,因而宇宙的膨脹速度不受宇宙內部傳播機制的限制,是可以超過光速的。


淡漠乾坤


準確的表達應該是:任何攜帶能量(質量)和信息的物體都無法達到或超過光速。所以,愛因斯坦的相對論並沒有完全限制“超光速”,“光速不可超越”不是無條件的,是有一定前提條件的,只要避開前提條件,就可以“盡情地”超越光速!

宇宙膨脹速度遠超光速,這我們都知道,但它與愛因斯坦的相對論並不矛盾,因為宇宙膨脹沒有傳遞任何信息和能量,本質上只是虛空的不斷衍生。

同時,超光速的不只有宇宙膨脹,還有“量子糾纏”,它的速度更是遠超光速,幾乎是瞬間完成的,量子糾纏也沒有傳遞任何信息,只是一個整體系統下的個體表現形式!

所以說,凡事沒有絕對,大自然貌似限制我們超越光速,其實也給我們“留了一扇門”,讓我們有“超越光速”的可能性!

比如,利用時空的膨脹速度可以超光速這個原理,可以製造“時空泡沫”,讓飛船在時空泡沫中完成“超光速飛行”,這就是所謂的“曲速引擎”技術!

當然,還有更快的蟲洞科技,幾乎能瞬間跨越任何星際空間,利用的也是時空的可操控特性,在時空結構中“鑽一個洞”,瞬間到達另一個時空!


宇宙探索


愛因斯坦是說有質量的物體不可能達到光速,他又說宇宙膨脹超過光速,是否自相矛盾?

愛因斯坦在1905年發表的《論動體的電動力學》中提出了狹義相對論,而狹義相對論的前提就是兩條基本假設:

  1. 光速不變原理:光在真空中的速度c是一個常數,與光源的運動狀態無關。
  2. 狹義相對性原理:一切物理定律在所有慣性系中均有效

狹義相對論中所有推導出來的結果都是以這兩條最基本的假設為前提的,當然光速無法超越也是,因為狹義相對論中推導出來的質增效應會讓存在靜止質量的物體在接近光速時質量無限增加,進而讓速度在無法前進一步,因為推動物體前進的能量是有限的,它最終會停留在某個接近光速的位置。

另一個可能則是速度疊加效應,無論兩個如何相對運動,它們之間的最大速度就是光速,光速始終是一個屏障,它無法被超越。大家認識了愛因斯坦的相對論,才瞭解了光速不可超越,但光速不可超越,並不是愛因斯坦的首先認識到的。

經典力學時代的伽利略變換

對於相對運動我們可簡單粗暴的理解為速度1+速度2或者速度-速度2,這在我們日常中就是這麼解決問題的,當然牛頓有些不太同意這個方式,但大致都繼承了這一變換的精髓,現在我們也很清楚,牛頓經典力學很好用,在絕大部分的時候都可以完美的解決問題,甚至還指導了海王星和冥王星的發現。

麥克斯韋計算出光速

關於速度的體驗,我們還不得不提一下詹姆斯-克拉克-麥克斯韋,不僅是因為現代社會建立在電磁的基礎上,而是他應該是最早知道光速是一個常量的人。

因為從麥克斯韋在1865年發表的一組四個方程中,最後一個變化的電場也能產生磁場,並且週期性交替產生,也就是電磁波的來歷。當然我們今天並不是關心這個問題,而是在這個方程中可以推算出光速!

真空介電常數和真空磁導率都是常數,所以光速C它就是一個常量,儘管麥克斯韋時代早有科學家測量出了光的速度,但從方程中推導出來,明顯是第一次,而且是一個常量!而赫茲則在1890年證明了電磁波速度與波源速度無關。

洛倫茲變換

因為1881年和1887年的邁克爾遜-莫雷關於以太的實驗測量不到地球相對於以太參照系的運動速度,1895年洛倫茲提出了運動時長度在運動方向上發生長度收縮來解釋邁克爾遜-莫雷實驗中的結果。並且與麥克斯韋電磁理論結合在相對以太運動的座標系中時空變換的方程,也就是著名的洛倫茲變換公式

通過洛侖茲變換公式可以推導出速度疊加計算公式,有興趣的朋友可以去看看洛侖茲變換到速度疊加計算的推導過程。

無論V1和V2速度有多大,它們最終疊加速度的上限為光速。有興趣的朋友可以將你認為的最大速度代入計算看看最終速度是多大?

法國數學家龐加萊在1900年就洛侖茲變換做出了劃時代的物理意義解釋,認為本地時是不同那個座標系之間通過光速進行的時間同步,這也就是狹義相對論中時性的相對性概念,曾經洛侖茲和龐加萊都摸索到了狹義相對論的大門,但仍然受限於體系最終與此失之交臂,實在令人唏噓。

宇宙膨脹超光速

愛因斯坦總結了麥克斯韋與邁克爾遜-莫雷,以及洛倫茲與龐加萊的成就,1905年愛因斯坦的狹義相對論很空出世,這得益於愛因斯坦敢於打破一切的魄力以及不受傳統約束的個性,當然我們今天不是來誇獎愛因斯坦的,而是狹義相對論關於光速的描述:

信息傳遞不能超過光速

將物質、能量與信息都歸結為信息其實也沒毛病,當然有朋友馬上會提一個有趣的現象,比如我用一支足夠亮度的激光束劃過天際,請問這激光束的移動超過光速了嗎?

答案是肯定的!

但它傳遞信息了嗎?沒有,它不具任何意義!

遙遠的星系正在遠離,這是埃德溫·哈勃經過將近十年的觀測得出的一個結論,而且哈勃的觀測還得出了一個遠離的速度/距離比值,這就是著名的哈勃常數的由來,儘管與現代精確測定的哈勃常數大相徑庭,但它具有劃時代的意義。

2014年普朗克衛星測得最精確的哈勃常數為67.15千米/秒/百萬秒差距(326萬光年),假如按照這個速度計算,那麼宇宙大約在145.613138億光年外,天體遠離速度超過光速。

其實這個空間膨脹的速度有一個假設前提,即假設我們自己是不動的,所以在145.6億光年外的天體超過光速原遠離,假如在那麼遙遠的位置有一個文明在觀察地球,他們也假定自己不運動,那麼他們將看到我們正在以超過光的速度遠離,但我們超光速了嗎?

答案是沒有!

我們相對於百萬秒差距外的天體,遠離速度還是67.15千米/秒,145.6億光年外的天體,相對於它們145.6億光年-326萬光年的區域,速度也是67.15千米/秒。當然這是假定宇宙膨脹速率恆定不變的條件下的推論,而哈勃常數並不是一個恆定不變的數值,它會隨時間而改變。

但各位有一個概念不能理解錯了,膨脹的永遠是空間,而不是天體的運動。

我們跟145.6億光年外的天體能信息傳遞嗎?也不能!所以遙遠的天體隨宇宙膨脹超過光速跟有質量的物體不能超過光速有什麼關係?


星辰大海路上的種花家


愛因斯坦的相對論不允許物質的運動速度超過光速,或者說不允許能量、信息的傳遞速度超過光速。而在宇宙中足夠遠的兩個位置可以找到這樣兩個物體,它們相互遠離的速度會超過光速。這和是否違背了愛因斯坦的相對論?不,並沒有違背相對論。

宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸,目前可觀測的宇宙半徑大約是465億光年。有人可能會覺得奇怪了,即使以光速向前運動,乘以運動的時間138億年,得到的結果是138億光年。宇宙的半徑怎能超過138億光年?這兩個數據是不是至少有一個錯了?

需要明確的是,不論是138億年的宇宙年齡,還是465億光年的可觀測宇宙半徑,都是天文學家經過大量天文觀測得到的結論,並在科學界得到了廣泛的共識。宇宙的可觀測半徑之所以超過138億光年,是因為宇宙空間膨脹的原因。試想一下,在一個洞穴口有很多螞蟻,某一時刻這些螞蟻以速率v各自向各個方向出發,經過時間t螞蟻到洞穴的距離就是vt。倘若螞蟻爬行的同時,地面也跟著膨脹,經過時間t後螞蟻到洞穴的距離就會超過vt。

宇宙可觀測的半徑超過138億光年就類似於螞蟻爬行時地面也跟著膨脹,宇宙膨脹是整個空間在膨脹,並非只是所謂的宇宙邊界在向外擴張。上世紀初,天文學家哈珀發現銀河系以外的星系大多存在著紅移現象,這說明這些星系在遠離我們而去,並且距離銀河系越遠的星系紅移現象越明顯。哈珀的發現是宇宙膨脹的有力證據。目前觀測到的哈珀常數為H=67.80±0.77km/s/Mpc,即距離每增加一百萬秒差距,退行速度增加67.80千米每秒。這樣距離我們足夠遠的位置,天體離我們遠去的速度就會超過光速。

宇宙膨脹速度超過光速並沒有違反相對論,這種膨脹並不能使能量或信息超過光速傳遞。相對論以及哈珀定律都是研究宇宙所需要的強有力工具。


刁博


愛因斯坦關於光速不變原理,說的是真空環境下,對於有物質來說,光速是最大值。注意,這裡說的是物質而非其它概念。假如我們說的是非物質的東西,那麼它的速度是完全可以超過光速的。


比如我們的宇宙本身,他是時間、空間、物質等一切存在的集合體。那麼它自身的膨脹速度就可以大於光速,因為宇宙本身並不是物質,所以並不受光速限制。還有,我們也不能夠把相對論中光速最大值的限制原則亂用,比如有些“速度”,是明顯可以超過光速的,然而並不意味著相對論就是錯誤的,比如說計算機運行速度,可以甩開光速無數倍。


之所以很多人對於宇宙膨脹速度大於光速出現疑問,關鍵就是對於相對論和光速不變原理的不理解。把速度不能夠超過光速擴大了應用範圍,認為任何事件都速度都不能夠超過光速。再舉個例子,光在介質中速度會比真空中慢,通過一些手段我們甚至可以“凍住”光子,這時候光速就很慢。有些人就會說,不是說光速不變嗎?這裡怎麼變了?而且,“凍住”的光子,我們的速度都可以超過它。這些問題的出現,都是源於我們對相對論的不太理解。


還有量子糾纏,其速度也是瞬時完成的,比光速快的多。這時候也會有人問,不是說任何信息傳遞的速度不能夠超過光速嗎?。這個疑問,則源自於我們對於量子糾纏的不理解。量子糾纏本身並沒有信息傳遞,它生來就這這樣。所以,也不違反相對論。不過,不理解也情有可原,因為愛因斯坦當時也沒整明白,也誤以為量子糾纏超光速了。


科學探秘頻道


愛因斯坦是個偉大的科學家,把畢生精力投放於科研中,發現了相對論,不能不說是個奇蹟。



但是,我們要客觀,現實地看問題。

我認為:物理學家的一切論斷,都是根據自己所掌握的已知材料,進行猜想的。

符合實際,經得起推敲和證明的,才是科學的。

不符合實際,經不得起推敲,沒法證明的,不是科學的。

昨天我說過了,光粒子是有質量的。因為:

凡是物質都是有質量的。物質放出來的應該是物質。光粒子是物質放出來的,所以光粒子也是物質,所以光粒子也不有質量的。只不過光粒子的質量特別渺小,只有質量特別巨大的物質才能吸引它。使它無法逃逸。



有質量,才會有速度。沒有質量是沒有速度的。

愛因斯坦根據星光的紅移,說的宇宙在膨脹,是有道理的。如果宇宙膨脹真的超光速,那麼,必然有比光粒子質量還小的物質。


創新數


首先愛因斯坦的相對論是說有靜質量的物體無法通過加速的方式達到光速,但是他並沒有說宇宙空間膨脹速度超過光速,這個結論不是愛因斯坦下的,是另外一個天文學家——愛德溫·哈勃通過長期的觀測得出的結論。1929年哈勃觀測河外星系的視向速度隨著距離的增加而越來越大,也就是說呈現出正比關係,於是他認為宇宙是在膨脹著的,在此之後,更多的證據表明宇宙確實處在膨脹過程中,2013年3月21日歐空局根據普朗克衛星測量的結果,得出了新的哈勃常數:67.80±0.77(km/s)/Mpc,這個數值意味著,在空間距離上,每增加326萬光年,星系遠離地球的速度就要增加67.80±0.77km/s,同時也意味著,只要距離地球足夠遠,那麼那裡的星系遠離地球的速度就必然會超越光速。

有的人會矛盾,為何這裡允許超越光速了呢?

這個超越光速與有靜質量的物體超不超越光速是兩碼事,根據相對論,有靜質量的物體無法達到光速,更別說超越光速了。但宇宙空間膨脹的速度並不是有靜質量的物體,兩者的意思是不同的,空間,注意這裡只是空間。

對此你們有什麼看法呢?歡迎在下方留言探討。我是科幻船塢,感謝大家的閱讀與關注


科幻船塢


如果愛因斯坦還活著,我想當面問他一個問題,空間膨脹了,這個空間不屬於物質,你怎麼定意這個空間??氣球上的線遠離了,氣球膨脹了,氣球是不是屬於物質??地面膨脹了,螞蟻遠離了,地面屬不屬於物質??沒有物質參予的空間膨脹有何意義??空間??搞笑了,你定意這個概念是不是想自圓光速最大理論的正確性??光速不變就像是哥白尼的地心說一樣經不起任何推敲,遲早要被推翻的。當光速被超越,我們回過頭來看看會想到以前的想法多麼可笑,光速和音速一樣不過是一個速度而已,沒有什麼是不可能超越的,不過和音障一樣光障更強大,突破這個速度比音爆更加炫麗而已,我們不要太想當然了!!


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