宇宙中是什么限制了光速?
如果我们在公园散步?♀️,是不会感到空气的阻力的。此时,我们的行走是自由的。但是,如果我们进行百米赛跑?♀️,就会明显地感觉到由空气产生的风阻。如果飞机✈️的速度达到声速时,则空气的阻力会急剧升高,形成了声障。要不是飞机的强度大于空气的压强,飞机在达到声速之前就会解体了。经典力学的研究主要是在与人的尺度相近的宏观范围之内,类似在公园散步,是可以忽略作为物理背景的空间效应的。
然而,当人类的认识超出了宏观范围,进入了高速领域,就相当于人的百米赛跑,物体不再是自由的了,其运动会受到空间的束缚,使物体能量的增加,由原来相对于自身动能的形式,转变为相对于空间势能的形式。由于光子是宇宙中不可再分的最小粒子,其质量和半径都远小于作为封闭体系的物质,所以空间对光子的束缚最小,从而允许光子感受到空间束缚的速度最大。
这也是为什么,光速是宇宙中最快速度的原因。然而,尽管如此,由于普朗克常数h是光子的本征参量且其物理量纲是粒子的角动量,含有质量和半径,说明光子是有质量和体积的。因此,其感受到空间束缚的速度是有限的。该速度的具体数值,既与光子的质量有关,也与空间的密度相关,两者成反比的关系。总之,由于作为物理背景的空间存在,限制?了物体的运动。
为什么光速是宇宙中的极限速度?
光速,299792458 m/s,一切物质的速度都超不过此值,是自然界存在的最大速度,光速不以参考系的不同而变化,不论你怎么做怎么测量,真空光速就是299792458 m/s,不大也不小。以上就是爱因斯坦相对论成立的大前提,假如有一天发现有物体的速度大于光速了,那么也就是宣告相对论失败的时候了。不过,经历了这么多年的时间考验,我还是相信相对论应该是不会错的,了不起就像经典牛顿物理学一样,在一定范围内适用,是更高一级力理论的近似结果。
我想,刚学过相对论的人,都会对时间膨胀,物体尺寸变短,质量变大等相对论效应感到十分新奇,但是人们却往往忽略了相对论的两大前提之一:真空光速为什么是不变的?为何不能再大一点或者在快一点?这个问题就连爱因斯坦都不能回答,所以他干脆就直接把它当成了一个公理,即光速不变原理。当然,我们的智商还没爱因斯坦高,有时候就连相对论都似懂非懂,如果非要回答这个问题,就只能异想天开的想象一下,权作娱乐了:我认为,是宇宙的本质决定了光速就那么大,我们的宇宙来自于一个致密奇点的大爆炸,这个奇点的初始性质,决定了光速的值就是299792458 m/s,即不能多一点,也不能少一点。
假如宇宙空间不止三维,还存在着高维,而奇点也不止一个,那么这些奇点爆炸就可以产生多个宇宙,不同的奇点,其大小、质量、温度、类型等等都不一样,所以爆炸后物理学性质也不一样,导致各自宇宙的光速也不一样,我们宇宙的光速就是299792458 m/s。如果继续问到底是奇点的那些性质就定了光速值,那就得等人类可以进入高维空间,亲自研究一个奇点的爆炸过程,才知道了。
当然了,进入高维空间的方式就是速度快于光速,这样就可以脱离三维空间而进入高维。就像地球的第一宇宙速度就是7.8km/s,超过这个速度限制,你就会脱离地球进入太空。而这个速度就是靠地球的质量、体积、自转等物理性质计算出来的。所以,想要知道为何光速这么大,还是研究一个奇点爆炸到宇宙诞生的过程,才能得出来一个解释。
宇宙中除了光速,第二快速度是什么?
其实这个问题本身就有问题,除了光速,第二块的是什么?意思是光速是最快么?答案肯定不是的。光速只对信息、能量有限定。但不约束空间的,也就是说,空间有可能比光速还要快,有木有发生过呢?当然有的,比如大暴胀里面中就指出,宇宙大爆炸的那一刻,空间瞬间膨胀了2∧100倍,这是远远超过光速的。而目前我们测算到的宇宙膨胀速度也非常接近于光速,并且它是在加速膨胀的,也就说,膨胀速度会越来越快,超过光速指日可待。
基于这里原因,可能光速自己都排不进前二。如果,我们就假设就考虑被光速约束的信息和能量,那第二快的是什么?这就要看你如何第二快了,这可以理解成数学问题,只要把光速小一小丢丢,那就是第二快,这就好比我们知道绝对零度是零下273.15摄氏度,那第二低的是啥?肯定还是273.149999999999999999999999999~~~~~,无限接近于273.15度。
宇宙形成于130亿年前,直径最少920亿光年,宇宙中光速最快,那宇宙是怎么扩张的?
我曾经回答过两个相关的问题,分别是:(1)光速是宇宙最快速度,为什么哈勃太空望远镜能观测到137亿光年以外的空间?(https://www.wukong.com/question/6454093144416846093/)(2)宇宙膨胀到超过光速会怎么样?(https://www.wukong.com/question/6446563781622366478/)我在这里再简要地解释一下。
第一,宇宙137亿年之前形成的时候发出的信号以光速旅行,今天才到达地球,在这个过程中宇宙还在继续膨胀,所以当时发出这些信号的天体距离我们肯定比137亿光年远,所以宇宙的直径径必须比137x2光年大。第二,我估计大部分朋友感到困惑的是,即使那些天体相对我们以光速膨胀,宇宙的直径也只能是137x4=548光年,怎么会比920亿光年大呢?原因在于,这些天体根本就没有怎么运动,更不会以光速运动,膨胀的实际上是空间,这些天体相对于它们所在的空间根本就没有怎么动。
为什么空间膨胀就会使得宇宙的直径比920亿光年大?要想理解这件事,首先需要明白宇宙膨胀是怎么回事。宇宙膨胀是整体的膨胀,每个地方的膨胀的速度都是一样的,就像拷面包的时候里面放一些葡萄干,面包烤之前,每两个葡萄干之间的距离假设是2厘米。面包烤的过程中均匀膨胀,每两个相邻的葡萄干的距离都增加,增加的量一模一样,最后烤熟了之后相邻葡萄干之间的距离变成了10厘米,也就是增加了5倍,那么面包的体积就增加了5的三次方、也就是125倍。
假设拷了40分钟,面包均匀膨胀,那么相邻葡萄干之间的相对膨胀速度是(10-2)厘米/40分钟,也就是每分钟0.2厘米,但是原来相距4厘米的两个葡萄干之间的距离从4厘米变成了20厘米,它们之间的相对膨胀速度就是(20-4)厘米/40分钟,也就是每分钟0.4厘米,增加了一倍!对于原来相距10厘米的两个葡萄干,它们之间的最后距离是50厘米,那么它们之间的相对膨胀速度就是(50-10)厘米/40分钟,也就是每分钟1厘米,增加了5倍!你可以看到,任意两个葡萄干之间的相对膨胀速度和它们之间的距离成正比,这就是哈勃定律!更详细的解释请读我对前面所说的那两个问题的回答。