“光速不可超越”—— 這是愛因斯坦狹義相對論留給大眾最深刻的印象之一,也是現(xiàn)代物理學(xué)的核心準則。我們熟知,光在真空中的速度恒定為 299792458 米 / 秒,任何有質(zhì)量的物體,若想加速到光速,需要的能量會趨于無窮大,因此 “超光速” 似乎成了物理規(guī)律中的 “禁區(qū)”。
但事實并非絕對:相對論禁止的是 “真空中物質(zhì)或能量的傳遞速度超過光速”,而在宇宙中,存在兩種特殊的 “速度”,它們不僅遠超光速,還完全不違背相對論的核心邏輯,甚至成為我們理解宇宙演化與量子世界的關(guān)鍵。
第一種遠超光速的 “速度”,是宇宙膨脹的速度。
1929 年,天文學(xué)家哈勃通過觀測發(fā)現(xiàn),遠處的星系都在遠離地球,且距離越遠的星系,遠離速度越快 —— 這一現(xiàn)象證明,宇宙正在不斷膨脹。根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)的測算,宇宙的膨脹速度并非恒定,而是在 “暗能量” 的推動下加速膨脹,其 “哈勃常數(shù)” 當(dāng)前的測量值約為 73 公里 /(秒?百萬秒差距)(1 百萬秒差距約等于 326 萬光年)。這意味著,對于距離地球超過約 140 億光年的星系,它們遠離地球的速度已經(jīng)超過了光速。
為何宇宙膨脹速度可以突破光速限制?關(guān)鍵在于,宇宙膨脹的本質(zhì)是 “時空本身的膨脹”,而非星系在 “預(yù)先存在的時空” 中運動。相對論禁止的是 “物質(zhì)在時空內(nèi)的運動速度超過光速”,而時空本身的膨脹不受這一限制 —— 就像一塊正在充氣的氣球,氣球表面的點(類比星系)并沒有 “主動運動”,而是隨著氣球(類比時空)的膨脹被彼此推開,它們之間的遠離速度,取決于氣球膨脹的整體速率,而非點自身的運動能力。
更形象地說:如果我們在氣球表面畫兩個點,當(dāng)氣球膨脹時,兩點間的距離會增加,且距離越遠,單位時間內(nèi)增加的距離越多。對于宇宙中的星系,它們就像氣球表面的點,被膨脹的時空 “帶著跑”,其遠離速度是時空膨脹的 “累積效應(yīng)”,而非星系自身在時空內(nèi)的運動。因此,即使這些星系的遠離速度超過光速,也不會違背相對論 —— 因為沒有任何物質(zhì)或能量在時空內(nèi)以超光速傳遞,星系本身也沒有 “打破” 光速限制,只是時空膨脹的結(jié)果。
這種超光速的宇宙膨脹,不僅不違背物理規(guī)律,還能解釋宇宙中的諸多現(xiàn)象。
比如,我們能觀測到的 “可觀測宇宙” 半徑約為 465 億光年,遠超宇宙 138 億年的年齡乘以光速(約 138 億光年)—— 正是因為宇宙膨脹的速度超過光速,那些早期宇宙發(fā)出的光,在傳播過程中被膨脹的時空 “拉遠”,最終需要更長時間才能抵達地球,才讓我們能觀測到比 “光速 × 宇宙年齡” 更廣闊的范圍。若宇宙膨脹速度不超過光速,我們的可觀測宇宙范圍會小得多,也無法看到如此多遙遠的星系。
第二種遠超光速的 “速度”,是量子糾纏的 “響應(yīng)速度”。
在量子力學(xué)中,兩個處于 “糾纏態(tài)” 的粒子(如電子、光子),無論相隔多遠,只要測量其中一個粒子的狀態(tài)(如自旋方向),另一個粒子的狀態(tài)會瞬間確定,仿佛兩者之間存在 “超光速的通信”。比如,將一對糾纏光子分別送往地球和火星,當(dāng)我們在地球測量其中一個光子的自旋為 “上” 時,火星上的另一個光子自旋會瞬間變?yōu)?“下”,這個 “響應(yīng)過程” 的速度,經(jīng)實驗證實至少是光速的 1000 倍,甚至可能是無限快。
量子糾纏的 “超光速響應(yīng)”,為何不違背相對論?核心在于,這種 “響應(yīng)” 無法傳遞任何有用的信息或能量 —— 相對論禁止的是 “超光速傳遞信息或能量”,因為這會導(dǎo)致 “因果律被破壞”(比如讓信息先于事件發(fā)生)。而量子糾纏的狀態(tài)是 “隨機的”:我們無法預(yù)先設(shè)定某個粒子的狀態(tài),只能在測量后得到一個隨機結(jié)果,另一個粒子的狀態(tài)也隨之隨機確定。
由于結(jié)果是隨機的,我們無法通過改變一個粒子的狀態(tài),來 “控制” 另一個粒子的狀態(tài)以傳遞信息 —— 就像兩個人各持一個隨機數(shù)發(fā)生器,無論相隔多遠,只要一個人按下按鈕得到一個隨機數(shù),另一個人也會瞬間得到對應(yīng)的隨機數(shù),但兩人無法通過這個過程傳遞 “你好”“123” 這類有意義的信息。
因此,量子糾纏的超光速 “響應(yīng)”,只是量子世界 “非局域性” 的體現(xiàn) —— 它說明微觀粒子之間的關(guān)聯(lián),不依賴于空間距離,卻無法用于超光速通信或能量傳遞,自然也就不違背相對論的核心限制。如今,量子糾纏的這一特性已被廣泛應(yīng)用于 “量子通信” 和 “量子計算” 領(lǐng)域:量子通信利用糾纏態(tài)的 “不可克隆性” 實現(xiàn)絕對安全的加密,量子計算則利用糾纏態(tài)的 “疊加性” 實現(xiàn)高效的并行計算,但這些應(yīng)用都沒有突破 “信息傳遞不超過光速” 的底線。
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