既然宇宙無阻力,為什麼不能一直加速,達到光速?

安美惠


在2012年歐洲大型強子對撞機LHC產生了一個諾貝爾獎,這就是希格斯玻色子的發現,希格斯獲得了當年的諾貝爾物理學獎。這個新聞我們應該都或多或少地聽說過,但是希格斯玻色子存在的證明,到底對科學有什麼重要的影響呢?

希格斯玻色子是散佈在空間中的一種粒子,它決定了粒子的質量。

就比方說質子和中子,它們由夸克構成,夸克會與希格斯玻色子產生作用。希格斯玻色子瀰漫在空間中,可以形成的一種場——希格斯場。夸克就會與希格斯場產生相互作用。就好像夸克在水中前行。這樣的話或多或少都會受到一些阻力的影響,在宏觀上看起來就像是夸克獲得了質量。

電子呢?電子與希格斯場產生的作用比較小,所以說電子幾乎沒有質量,但是由於它還是有非常微小的質量,所以說它還是會有非常微小的作用。

但是,光子和希格斯場是不產生任何作用。也就是說,它本身就會自發以宇宙中的最高速度運動,這個速度就是真空中的光速,而且是指絕對真空。雖然在宇宙中,這種空間是不存在的,只存在於理論中,但是它也已經是宇宙中可以達到的最快速度。

因此,我們這些由原子構成的物質就不可能完全地與希格斯場不產生作用。我們可以在一個粒子上加上很多的能量,使它及其地接近光速,但是由於希格斯場這一個不可逾越的瓶頸,它是永遠不可能達到光速的。理論上來說,我們只有給一個粒子注入無窮大的能量,才有可能達到光速,但是由於宇宙是有限的,有限的宇宙就不可能產生無限的質量,因此至少在我們這個宇宙中達到光速是不可能,只有光子本身才可能達到光速,但在這個宇宙中,其實目前來看也是不可能的,因為宇宙中還有很多的干擾因素,比如說宇宙微波背景輻射,或者是星群的引力透鏡,這些都會打攪光子。雖然理論上能達到的極限是光速,但是在我們的世界裡,光速都不是真正意義上的理論極限。


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一個物體如果要加速,要麼需要一個外力作用,在宇宙中這個外力就是其他天體的引力。但是,引力會隨著距離的增加而減弱,所以如果天體太遠了,引力對其的加速就可以忽略。如果距離足夠近,那麼結果就會讓物體裝上,所以不可能保持一直加速到光速。

那麼就只有第二種方法,就是自身攜帶加速裝置,比如火箭發動機。那麼,這種情況下要解決兩個問題,一個是燃料,一個是保持加速度。

學過初中物理的人都應該知道,想要加速,就必須要有加速度,如果沒有加速度的話,那麼只能保持一定的速度。而對於利用反作用力的火箭發動機來說,加速度是有上限的,不可能無限加速下去。所以,就目前來說,只有一種辦法可以在理論上加速到光速,就是利用光壓來推動飛船。

這就是以前提出過的光帆,利用激光的高能照射在帆上,利用光壓加速,理論上可以達到每秒10萬千米以上的速度,雖然加速需要的時間很漫長,但畢竟可以向光速接近。

但是問題又來了,如果物體的運動速度接近光速後,就會出現相對論效應,也就是其質量會增加。當速度越接近光速,這個質量增加的就越明顯,如果速度無限接近光速,那麼其質量也就趨向於無限大。

所以,這是宇宙種所有具有靜止質量的物質的一個壁壘,光速是無法達到的,更不可能超越。


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