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光速每秒30万公里,是宇宙的极限速度吗?可超光速就实现不了吗?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-26

在爱因斯坦的相对论中光速被认为是宇宙的极限速度,然而,放眼宇宙930亿光年的直径下,光速实在是太慢了。

于是在众多的科幻题材中超光速是常规操作,曲率引擎、虫洞、超时空、超光速引擎等等方法以超越光速达到目的地。

那么接下来咱们来讨论一下,光速的特性,以及光速为什么不可被超越的原因,以及那些在文学作品中出现的超光速方法,真的可行吗?

光速的概念最早是由荷兰科学家、物理学家和天文学家克里斯蒂安·惠更斯在17世纪提出的。

在1653年,惠更斯出版了他的重要著作《光原理》,其中他详细阐述了光的波动理论和关于光传播的一些基本原理。

在这本书中,他首次使用了光速这个术语,并提出了光在空气和其他媒介中传播速度的近似值。

不过光速的测量要复杂多了,从17世纪到20世纪,中间有无数位科学家都参与到了其中,最终在20世纪60年代在精确测量设备对加持下,人们测出光速在真空中的准确值299,792,458米/秒。

然而把光速玩出花来的还得说是爱因斯坦。

他在1905年提出的狭义相对论,将光速视为宇宙速度的极限,没有任何有静止质量的物体能够达到或超过光速。

在相对论中一旦物体接近光速,物体需要的能量就将无限大,而且其质量也会变得无限大。

然而,宇宙的质量和能量具有一定的限度,因此有静止质量的物体无法达到光速。

如果光速能够被超越,整个宇宙的规律都将被打破。

因此,光速不可被超越被视为宇宙的基本规定,类似于数学中的不可动摇的等式。

所以,从理论上来说光速就是宇宙的极限,正常情况下是无法达到,就更别提超越了。

但并不是说就无法超光速旅行了,可以通过某种方式以绕过光速限制。

第一种就是曲率引擎。

在广义相对论认为宇宙的时空具有弹性,可以被大质量天体扭曲,这种扭曲的结果是引力。

在曲率引擎的概念中,宇宙被认为是一个四维时空的结构。

引擎的想法是通过在时空中创造一种曲率或缩短距离的现象,使得航行物体在这个曲曲折折的时空中移动,从而达到超光速的效果。

实际上,宇宙航船并不是真正地以超光速运动,而是利用时空的特殊结构来缩短两点之间的距离,从而使得航行距离看似超光速。

也就是说三维无法实现的事情,放到四维空间就简单很多了。

就像在二维空间中,一只蚂蚁从一个点走到五米外对另外一个点需要8分钟左右,但在三维空间里,只需要将两个点折叠,蚂蚁就可以从这个点到另外一个点,整个过程只需要几秒。

不过,目前曲率引擎仅仅是科幻作品中的概念,还没有被实际证明或者构建。

在现实中,我们对时空结构和曲率引擎的技术实现还知之甚少。

尚未有任何实验或观测证据能展示曲率引擎。

第二种就是虫洞

虫洞的概念最早是由德国数学家、理论物理学家路德维希·弗拉基米洛维奇·季米特里耶维奇在1916年提出的。

在20世纪中叶和后期,虫洞成为科幻作品和理论物理学的一个重要话题,被广泛讨论和研究。

在虫洞的概念中,物体通过这个时空通道移动,看起来好像是以超光速运动,因为它可以在宇宙中的不同地点之间瞬间移动。

虫洞的构想是在时空中创造一种缩短距离的现象,使得物体可以通过这个通道实现迅速的跨越。

然而,虫洞是否真正存在、是否能够稳定存在以及是否能够被利用实现超光速航行,目前仍然是科学界的一个未解之谜。

虽然一些物理学理论支持虫洞的存在,但目前尚未有任何实验或观测证据来证实虫洞的存在或可行性。

总之,光速就是速度的极限,目前在现实世界中还没有发现或实现超光速的技术。

根据相对论的理论,光速在真空中是一个绝对极限,任何物体、信息或能量都不能以超过光速的速度传播。

因此,超光速仍然属于科幻领域的概念,不属于现实世界的科学技术。

不过,人可以通过在空间方面绕过去,通过在时空中创造一种曲率或缩短距离的现象,从而达到超光速的效果。

量子信息+熵,能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律,也许是物理里最根本的几条原理之一。

它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。

人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。

可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。

而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。

在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项,而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。

宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。

若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.

追踪13.4万亿个暗物质!百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称,该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机,完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。

这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。

左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。

图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。

这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。

然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。

通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。

暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。

在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。

标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。

科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。

一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。

然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。

因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。

而如此规模的模拟对算力要求极高。

团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。

模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。

这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。

模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。

来源:科技日报

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