宇宙中,有比光速更快的速度吗?

根据爱因斯坦的狭义相对论,其实我们知道,物质、信息、能量传播的极限速度是光速,说白了,就是无论你选择什么样子的参考系,你看到的光速都是3*10^8m/s,不可能比这再快。

这其实是很违反我们直觉。因为,在宏观低速状态下,我们常会用到速度叠加。我举个例子,如果你在小车里朝着小车的运动方向用手电筒射出光,那在地面观测者看来,光的速度就应该是光速加上车速,而不是光速。而相对论告诉我们,结果就是光速。

具体的原因,其实我们还要从相对论的提出说起。

相对论

爱因斯坦之所以会提出相对论,并不是凭空想象出来的。实际上,这是因为当时的物理学发展就正好到了这个坎。换句换说,如果爱因斯坦出生在牛顿那个时代,他也不会提出相对论,不仅如此,即便是爱因斯坦不存在,也会有科学家(可能是好几个)提出相对论,这其实是时代需求。

最早从伽利略开始,一直到牛顿提出牛顿力学。人们其实已经接受了开头我们说到的速度叠加的那套理论。后来,麦克斯韦提出了著名的麦克斯韦方程。

麦克斯韦通过这个理论统一了电磁学现象,并且预言电磁波的存在,以及光其实就是一种电磁波。

麦克斯韦的理论其实类似于牛顿理论一样,都是经典物理学地基一样的理论,都预言了很多现象,并且描述得极为准确。于是,被科学家们所接受,认定为主流的科学理论。可偏偏这两个看起来如此正确的理论,就莫名巧妙地矛盾了。而产生矛盾的地方就是光速。

麦克斯韦方程中,有一个描述光速的表达式,c=1/ε0μ0,其中“ε0”和“μ0”都是常数。这就意味着,光速c就应该是一个常数。可按照牛顿理论,速度是相对的,取决于具体的坐标系。因此,这就矛盾了。而这正好发生爱因斯坦的时代。

许多科学家为了调和两个理论的矛盾,提出了“以太”,他们认为光速是相对于以太的。一群实验物理学家参与到了寻找以太的行列当中。可最终,他们全失败了,他们不仅没有证明以太是存在的,相反,他们证明了以太是不存在的。这就说明,光速并不是相对的,而是绝对的,在任何惯性参考系下,光速都是一样的。

爱因斯坦把这个称为“光速不变原理”,他正是基于光速不变原理和相对性原理推导出的相对论。进而,他可以推导出相对论框架下,物体的质量所对应的表达。

通过这个表达式,我们知道,当速度超过光速时,这个表达式就失去了意义。实际上通过相对论我们可以知道,如果要把物体加速到光速,所需要的能量是无限大的,所以是根本不可能做到的。

宇宙膨胀

上文中所描述的这一切都是基于物质、信息、能量的传递。但是,我们要知道的是,宇宙中并不仅仅只有这三样,实际上宇宙所包含的东西远超过这个范畴。因此,只要不违反光速不变原理,其实还是可以超光速的。比如:量子纠缠。确实是超光速的,但又不传递任何能量。这是因为,量子是处于叠加态的,这就意味着两个纠缠的量子都处于叠加态,如果你破坏了一个量子的叠加态,另外一个也就固定住了。不可能再操作已经坍缩的量子以达到信息传递的功能。因此,量子纠缠只能用来加密,而无法用来传递信息。

除了量子纠缠,实际上宇宙的膨胀也是超光速的。按照我们目前的理论,我们知道,宇宙起源于138亿年的一次大爆炸。

大爆炸之后,宇宙空间就发生了剧烈的膨胀,这个膨胀的速度是远远超过光速数亿倍的。

后来,宇宙进入到了减速膨胀一直持续到距今的45亿年前,宇宙从减速膨胀转为了加速膨胀。而对我们在地球上的观测者而已,宇宙大多数位置的退行速度是超光速的,我们是永远也无法看到它们。它们的退行其实就是宇宙膨胀造成的。

这也造成了我所能看到的宇宙仅仅是宇宙的一部分,这一部分被我们称为可观测宇宙。因此,宇宙膨胀和量子纠缠一样也是超光速的,但它们其实都不违反光速不变原理。