爱因斯坦是说有质量的物体不可能达到光速,他又说宇宙膨胀超过光速,是否自相矛盾?

宏乐183


爱因斯坦狭义相对论关于光速的完整描述应该是:“静止质量不为零的物体无法达到或者超过光速,信息和能量的传递速度无法超过光速”


“有质量的物体无法达到光速”背后的原因是由于爱因斯坦根据之前“迈克尔逊莫雷实验”的结果推导出了“质能相当原理”,不过该原理除了限制物体运动速度外也让人类意识到了原子核内部蕴含着巨大的能量,可以说二战时期的原子弹和后来的氢弹以及核反应堆背后都有质能方程E=MC²的影子。

在该方程中E是物体所具有的能量,M是物体的质量,C是光速,也就是说“物体蕴含的能量等于它的质量乘以光速的平方”


爱因斯坦用这个简简单单的方程打通了质量和能量互相转化的通道,而拥有质量的宇宙飞船在向光速发起冲击的过程中需要消耗大量能量,与此同时质能相当带来的质增效应会将飞船发质量急剧放大,这样一来就需要更多的能量才来对飞船进行加速。

所以在狭义相对论中,当物体的运动速度趋于光速时惯性质量就会趋于无限大,因此爱因斯坦才断定“静止质量不为零的物体无法达到光速”


2011年时欧洲核子研究中心公布了“奥佩拉”研究团队发现的“中微子超光速现象”,该消息马上在科学界引起了“大地震”,但由于大多数物理学家都对“中微子超光速”持怀疑态度,所以美国费米实验室也准备一次“中微子测速”,不过实验的准备时间至少需要两年。

但仅仅一年后的2012年3月16日,欧洲核子研究中心宣布去年的“奥佩拉”实验结果存在误差,中微子实际上并没有超光速,而引起误差的原因则是“实验设备连接线没插好”。

上个世纪初埃德温.哈勃发现的宇宙空间膨胀佐证了宇宙大爆炸理论,而宇宙大爆炸理论认为在宇宙早期乃至现在,宇宙空间本身都在超光速膨胀,但这种空间本身的膨胀并不在狭义相对论约束的范围内。

量子纠缠的“超距作用”虽然已经被实验证明了,但是它本身并不传递信息,因此也就不违反爱因斯坦的狭义相对论。



有趣的是刘慈欣《三体》在中为了让信息可以跨光年瞬间传播,还专门科幻出了“可以传递信息的量子纠缠技术”,于是就有了“无孔不入无所不知”的“智子”

宇宙探索未解之迷


正如题主所说的那样,爱因斯坦的狭义相对论只是限定有质量的物体不可以超过光速

注意这个限定词:有质量,更准确地说是:有静止质量的物体不可以达到光速

那宇宙中有很多速度现象,并不全是物体运动所为

比如生活中,我们经常描述完成一个任务的进度也会用速度来表示

这时候速度就是工作总量除以时间

更宽泛地说,速度也可以用来表示人的情感

比如爱上一个的速度可以用相识的天数与感情深厚程度来体现出来

速度是宽泛的概念,我们必须理解这一点

在物理学中,特别是狭义相对论中 速度往往只是空间与时间的结合体 。因为空间的量化是长度、距离等

狭义相对论表达的速度不可以超过光速,必须有两个限定才能成立

第一个:抽象出的速度概念必须基于有静止质量的物质

第二个:抽象出的速度概念特指被时间和空间度量出来的速度, 而不是宽泛意义上的速度

根据最新的大爆炸理论,我们知道宇宙初期的暴涨速度的确超过光速,但是这种膨胀是空间的膨胀,而空间并不属于有静止质量的物质范畴

所以狭义相对论是无权干涉宇宙膨胀速度的变慢

为什么有静止质量的物体不可以达到光速?

对于初学相对论的读者来说

他们会第一时间搬出狭义相对论公式中的洛伦兹因子(1-v²/c²)½来解释

因为在式中v代表有静止质量的物体的速度

一旦v等于光速c,那么数值将变得毫无意义

于是乎得到v只能小于c

其实这样的解释完全是本末倒置。

因为洛伦兹因子恰恰是基于光速不变的事实推理出来的结论,有质量的物体不可以达到光速的结论是先基于光速不变的前提而推理出来的

所以要解释为什么有质量的物体不可以达到光速的问题又回到了“为什么光速不变”上

而光速不变是自然现象,物理学只是归纳自然现象的一般性规律,而不能从根本上解释自然现象为何如此

即便可以“解释光速为什么不变”,那么用来解释光速的理论为什么会存在又是一个需要被解释的问题,这样只是把因果关系向前推理一步而已

而科学的进步就是人类在好奇心的驱使下不断将自然现象的因果律向前推动的过程

比如当牛顿看见苹果落地 会发问:为什么它不朝天上漂,而是落地?

于是归纳出万有引力

而后人继续发问:为什么会存在万有引力?

爱因斯坦回答到:引力的原因是时空的弯曲

从万有引力到时空弯曲就是因果律的进步


科学认识论


自然界是不连续的,存在着质的变化。所以,创造我们人类并且仍然在影响着我们人类的宇宙,只是自然界的一部分。在其解体之前,宇宙是一个相对独立的封闭体系。

又由于普朗克常数h的被发现,以及所有的物理现象都需要用该常数给予解释,说明我们的宇宙是量子化的,确切地说是由不可再分的量子构成的。

此外,由于物体的体积只是粒子高速运动产生的屏蔽效应;而且,当我们的认识超出宏观范围时,发现物体的行为需要外在的物理背景来给予说明,如微观粒子具有波动性。说明空间和物质并非我们原来认为的,即空间只是承载物体的几何框架以及物质具有实体性。这是一种陈旧的机械宇宙观。

于是,我们获得了一个新的量子宇宙观:

离散的基态量子构成空间,受到激发的量子成为光子(能量),由高能量子组成的封闭体系就是物质。一切物理现象都只是量子的三种不同状态的相互影响、相互作用和相互转化的结果。

所以,宇宙的膨胀速度和宇宙内部传播的速度(光速)是两个完全不同的概念。

宇宙膨胀的速度取决于宇宙内外部能量密度即压强的对比,类似气球🎈的膨胀。

宇宙内部的传播速度即光速则取决于光子的静质量和宇宙内部空间的量子密度。

上述两个速度的变化是反向的,宇宙膨胀的速度会随着宇宙的膨胀而减小,宇宙内部的传播速度即光速却会随着宇宙内部空间密度的下降而增大。

因为,光速是光子维持其相对于空间势能的速度。类似赤脚🦶划水运动,水的比重越小,需要维持站在水面上的速度就越大。

总之,宇宙膨胀的物理机制不同于宇宙内部传播的物理机制,因而宇宙的膨胀速度不受宇宙内部传播机制的限制,是可以超过光速的。


淡漠乾坤


准确的表达应该是:任何携带能量(质量)和信息的物体都无法达到或超过光速。所以,爱因斯坦的相对论并没有完全限制“超光速”,“光速不可超越”不是无条件的,是有一定前提条件的,只要避开前提条件,就可以“尽情地”超越光速!

宇宙膨胀速度远超光速,这我们都知道,但它与爱因斯坦的相对论并不矛盾,因为宇宙膨胀没有传递任何信息和能量,本质上只是虚空的不断衍生。

同时,超光速的不只有宇宙膨胀,还有“量子纠缠”,它的速度更是远超光速,几乎是瞬间完成的,量子纠缠也没有传递任何信息,只是一个整体系统下的个体表现形式!

所以说,凡事没有绝对,大自然貌似限制我们超越光速,其实也给我们“留了一扇门”,让我们有“超越光速”的可能性!

比如,利用时空的膨胀速度可以超光速这个原理,可以制造“时空泡沫”,让飞船在时空泡沫中完成“超光速飞行”,这就是所谓的“曲速引擎”技术!

当然,还有更快的虫洞科技,几乎能瞬间跨越任何星际空间,利用的也是时空的可操控特性,在时空结构中“钻一个洞”,瞬间到达另一个时空!


宇宙探索


爱因斯坦是说有质量的物体不可能达到光速,他又说宇宙膨胀超过光速,是否自相矛盾?

爱因斯坦在1905年发表的《论动体的电动力学》中提出了狭义相对论,而狭义相对论的前提就是两条基本假设:

  1. 光速不变原理:光在真空中的速度c是一个常数,与光源的运动状态无关。
  2. 狭义相对性原理:一切物理定律在所有惯性系中均有效

狭义相对论中所有推导出来的结果都是以这两条最基本的假设为前提的,当然光速无法超越也是,因为狭义相对论中推导出来的质增效应会让存在静止质量的物体在接近光速时质量无限增加,进而让速度在无法前进一步,因为推动物体前进的能量是有限的,它最终会停留在某个接近光速的位置。

另一个可能则是速度叠加效应,无论两个如何相对运动,它们之间的最大速度就是光速,光速始终是一个屏障,它无法被超越。大家认识了爱因斯坦的相对论,才了解了光速不可超越,但光速不可超越,并不是爱因斯坦的首先认识到的。

经典力学时代的伽利略变换

对于相对运动我们可简单粗暴的理解为速度1+速度2或者速度-速度2,这在我们日常中就是这么解决问题的,当然牛顿有些不太同意这个方式,但大致都继承了这一变换的精髓,现在我们也很清楚,牛顿经典力学很好用,在绝大部分的时候都可以完美的解决问题,甚至还指导了海王星和冥王星的发现。

麦克斯韦计算出光速

关于速度的体验,我们还不得不提一下詹姆斯-克拉克-麦克斯韦,不仅是因为现代社会建立在电磁的基础上,而是他应该是最早知道光速是一个常量的人。

因为从麦克斯韦在1865年发表的一组四个方程中,最后一个变化的电场也能产生磁场,并且周期性交替产生,也就是电磁波的来历。当然我们今天并不是关心这个问题,而是在这个方程中可以推算出光速!

真空介电常数和真空磁导率都是常数,所以光速C它就是一个常量,尽管麦克斯韦时代早有科学家测量出了光的速度,但从方程中推导出来,明显是第一次,而且是一个常量!而赫兹则在1890年证明了电磁波速度与波源速度无关。

洛伦兹变换

因为1881年和1887年的迈克尔逊-莫雷关于以太的实验测量不到地球相对于以太参照系的运动速度,1895年洛伦兹提出了运动时长度在运动方向上发生长度收缩来解释迈克尔逊-莫雷实验中的结果。并且与麦克斯韦电磁理论结合在相对以太运动的坐标系中时空变换的方程,也就是著名的洛伦兹变换公式

通过洛仑兹变换公式可以推导出速度叠加计算公式,有兴趣的朋友可以去看看洛仑兹变换到速度叠加计算的推导过程。

无论V1和V2速度有多大,它们最终叠加速度的上限为光速。有兴趣的朋友可以将你认为的最大速度代入计算看看最终速度是多大?

法国数学家庞加莱在1900年就洛仑兹变换做出了划时代的物理意义解释,认为本地时是不同那个坐标系之间通过光速进行的时间同步,这也就是狭义相对论中时性的相对性概念,曾经洛仑兹和庞加莱都摸索到了狭义相对论的大门,但仍然受限于体系最终与此失之交臂,实在令人唏嘘。

宇宙膨胀超光速

爱因斯坦总结了麦克斯韦与迈克尔逊-莫雷,以及洛伦兹与庞加莱的成就,1905年爱因斯坦的狭义相对论很空出世,这得益于爱因斯坦敢于打破一切的魄力以及不受传统约束的个性,当然我们今天不是来夸奖爱因斯坦的,而是狭义相对论关于光速的描述:

信息传递不能超过光速

将物质、能量与信息都归结为信息其实也没毛病,当然有朋友马上会提一个有趣的现象,比如我用一支足够亮度的激光束划过天际,请问这激光束的移动超过光速了吗?

答案是肯定的!

但它传递信息了吗?没有,它不具任何意义!

遥远的星系正在远离,这是埃德温·哈勃经过将近十年的观测得出的一个结论,而且哈勃的观测还得出了一个远离的速度/距离比值,这就是著名的哈勃常数的由来,尽管与现代精确测定的哈勃常数大相径庭,但它具有划时代的意义。

2014年普朗克卫星测得最精确的哈勃常数为67.15千米/秒/百万秒差距(326万光年),假如按照这个速度计算,那么宇宙大约在145.613138亿光年外,天体远离速度超过光速。

其实这个空间膨胀的速度有一个假设前提,即假设我们自己是不动的,所以在145.6亿光年外的天体超过光速原远离,假如在那么遥远的位置有一个文明在观察地球,他们也假定自己不运动,那么他们将看到我们正在以超过光的速度远离,但我们超光速了吗?

答案是没有!

我们相对于百万秒差距外的天体,远离速度还是67.15千米/秒,145.6亿光年外的天体,相对于它们145.6亿光年-326万光年的区域,速度也是67.15千米/秒。当然这是假定宇宙膨胀速率恒定不变的条件下的推论,而哈勃常数并不是一个恒定不变的数值,它会随时间而改变。

但各位有一个概念不能理解错了,膨胀的永远是空间,而不是天体的运动。

我们跟145.6亿光年外的天体能信息传递吗?也不能!所以遥远的天体随宇宙膨胀超过光速跟有质量的物体不能超过光速有什么关系?


星辰大海路上的种花家


爱因斯坦的相对论不允许物质的运动速度超过光速,或者说不允许能量、信息的传递速度超过光速。而在宇宙中足够远的两个位置可以找到这样两个物体,它们相互远离的速度会超过光速。这和是否违背了爱因斯坦的相对论?不,并没有违背相对论。

宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸,目前可观测的宇宙半径大约是465亿光年。有人可能会觉得奇怪了,即使以光速向前运动,乘以运动的时间138亿年,得到的结果是138亿光年。宇宙的半径怎能超过138亿光年?这两个数据是不是至少有一个错了?

需要明确的是,不论是138亿年的宇宙年龄,还是465亿光年的可观测宇宙半径,都是天文学家经过大量天文观测得到的结论,并在科学界得到了广泛的共识。宇宙的可观测半径之所以超过138亿光年,是因为宇宙空间膨胀的原因。试想一下,在一个洞穴口有很多蚂蚁,某一时刻这些蚂蚁以速率v各自向各个方向出发,经过时间t蚂蚁到洞穴的距离就是vt。倘若蚂蚁爬行的同时,地面也跟着膨胀,经过时间t后蚂蚁到洞穴的距离就会超过vt。

宇宙可观测的半径超过138亿光年就类似于蚂蚁爬行时地面也跟着膨胀,宇宙膨胀是整个空间在膨胀,并非只是所谓的宇宙边界在向外扩张。上世纪初,天文学家哈珀发现银河系以外的星系大多存在着红移现象,这说明这些星系在远离我们而去,并且距离银河系越远的星系红移现象越明显。哈珀的发现是宇宙膨胀的有力证据。目前观测到的哈珀常数为H=67.80±0.77km/s/Mpc,即距离每增加一百万秒差距,退行速度增加67.80千米每秒。这样距离我们足够远的位置,天体离我们远去的速度就会超过光速。

宇宙膨胀速度超过光速并没有违反相对论,这种膨胀并不能使能量或信息超过光速传递。相对论以及哈珀定律都是研究宇宙所需要的强有力工具。


刁博


爱因斯坦关于光速不变原理,说的是真空环境下,对于有物质来说,光速是最大值。注意,这里说的是物质而非其它概念。假如我们说的是非物质的东西,那么它的速度是完全可以超过光速的。


比如我们的宇宙本身,他是时间、空间、物质等一切存在的集合体。那么它自身的膨胀速度就可以大于光速,因为宇宙本身并不是物质,所以并不受光速限制。还有,我们也不能够把相对论中光速最大值的限制原则乱用,比如有些“速度”,是明显可以超过光速的,然而并不意味着相对论就是错误的,比如说计算机运行速度,可以甩开光速无数倍。


之所以很多人对于宇宙膨胀速度大于光速出现疑问,关键就是对于相对论和光速不变原理的不理解。把速度不能够超过光速扩大了应用范围,认为任何事件都速度都不能够超过光速。再举个例子,光在介质中速度会比真空中慢,通过一些手段我们甚至可以“冻住”光子,这时候光速就很慢。有些人就会说,不是说光速不变吗?这里怎么变了?而且,“冻住”的光子,我们的速度都可以超过它。这些问题的出现,都是源于我们对相对论的不太理解。


还有量子纠缠,其速度也是瞬时完成的,比光速快的多。这时候也会有人问,不是说任何信息传递的速度不能够超过光速吗?。这个疑问,则源自于我们对于量子纠缠的不理解。量子纠缠本身并没有信息传递,它生来就这这样。所以,也不违反相对论。不过,不理解也情有可原,因为爱因斯坦当时也没整明白,也误以为量子纠缠超光速了。


科学探秘频道


爱因斯坦是个伟大的科学家,把毕生精力投放于科研中,发现了相对论,不能不说是个奇迹。



但是,我们要客观,现实地看问题。

我认为:物理学家的一切论断,都是根据自己所掌握的已知材料,进行猜想的。

符合实际,经得起推敲和证明的,才是科学的。

不符合实际,经不得起推敲,没法证明的,不是科学的。

昨天我说过了,光粒子是有质量的。因为:

凡是物质都是有质量的。物质放出来的应该是物质。光粒子是物质放出来的,所以光粒子也是物质,所以光粒子也不有质量的。只不过光粒子的质量特别渺小,只有质量特别巨大的物质才能吸引它。使它无法逃逸。



有质量,才会有速度。没有质量是没有速度的。

爱因斯坦根据星光的红移,说的宇宙在膨胀,是有道理的。如果宇宙膨胀真的超光速,那么,必然有比光粒子质量还小的物质。


创新数


首先爱因斯坦的相对论是说有静质量的物体无法通过加速的方式达到光速,但是他并没有说宇宙空间膨胀速度超过光速,这个结论不是爱因斯坦下的,是另外一个天文学家——爱德温·哈勃通过长期的观测得出的结论。1929年哈勃观测河外星系的视向速度随着距离的增加而越来越大,也就是说呈现出正比关系,于是他认为宇宙是在膨胀着的,在此之后,更多的证据表明宇宙确实处在膨胀过程中,2013年3月21日欧空局根据普朗克卫星测量的结果,得出了新的哈勃常数:67.80±0.77(km/s)/Mpc,这个数值意味着,在空间距离上,每增加326万光年,星系远离地球的速度就要增加67.80±0.77km/s,同时也意味着,只要距离地球足够远,那么那里的星系远离地球的速度就必然会超越光速。

有的人会矛盾,为何这里允许超越光速了呢?

这个超越光速与有静质量的物体超不超越光速是两码事,根据相对论,有静质量的物体无法达到光速,更别说超越光速了。但宇宙空间膨胀的速度并不是有静质量的物体,两者的意思是不同的,空间,注意这里只是空间。

对此你们有什么看法呢?欢迎在下方留言探讨。我是科幻船坞,感谢大家的阅读与关注


科幻船坞


如果爱因斯坦还活着,我想当面问他一个问题,空间膨胀了,这个空间不属于物质,你怎么定意这个空间??气球上的线远离了,气球膨胀了,气球是不是属于物质??地面膨胀了,蚂蚁远离了,地面属不属于物质??没有物质参予的空间膨胀有何意义??空间??搞笑了,你定意这个概念是不是想自圆光速最大理论的正确性??光速不变就像是哥白尼的地心说一样经不起任何推敲,迟早要被推翻的。当光速被超越,我们回过头来看看会想到以前的想法多么可笑,光速和音速一样不过是一个速度而已,没有什么是不可能超越的,不过和音障一样光障更强大,突破这个速度比音爆更加炫丽而已,我们不要太想当然了!!


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