宇宙有一個速度極限，卻並不是光速

所有無質量的粒子都以光速傳播的，包括傳遞電磁相互作用的光子、傳遞強相互作用的膠子、傳遞引力相互作用的引力波。有質量的粒子總是以低於光速的速度運動，而且，在我們的宇宙中，存在一個更加嚴格的界限。| 圖片來源：NASA/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET

自然界的速度極限是什麼？物理學定律告訴我們，宇宙中的終極速度極限是光速。任何由物質構成的物體都只能接近但永遠達不到光速。如果沒有質量，物體必須以光速運動；如果有質量，物體就永遠無法達到光速。

但事實上，在我們的宇宙中，存在一個對物質速度更加嚴格的限制，這個速度極限低於光速。下面，我們講一講關於宇宙速度極限的科學故事。

撰文 |Ethan Siegel

光速可以達到嗎？

當科學家談論「光速」時，實際上是在暗指「真空中的光速」——299,792,458米/秒，這一終極宇宙速度只有在沒有粒子、沒有場、也沒有傳播的介質時才能達到。

即使是在如此嚴苛的條件下，這一速度也只有完全沒有質量的粒子和波才能實現，這其中包括光子、膠子和引力波，而一切我們所熟知的其他事物都不包括在內。

無論是夸克、輕子、中微子，還是假想的暗物質，都具有質量這一固有屬性。由這些粒子構成的物體，從極小的質子、原子到「龐大」的人類，都有質量。因此，這些物體可以接近、但永遠無法達到真空中的光速。無論給它們注入多少能量，即使是在真空中，它們也永遠無法達到光速。

茫茫宇宙並非虛空

事實上，根本不存在所謂的完美真空。即使是在星際空間的最深處，仍然存在三種絕對無法擺脫的物質。

WHIM：溫熱星系際介質。這種稀薄的等離子體是宇宙網的殘餘。當物質聚集成恆星、星系和更大的群體時，其中一小部分物質仍然留存在宇宙的巨大空洞中。星光使其電離，隨之產生的等離子體可能占宇宙中普通物質總量的50%左右。

CMB：宇宙微波背景。宇宙大爆炸之後遺留的光子，在宇宙早期具有極高的能量，即便在今天，它的溫度降低到絕對零度以上2.7度，在每立方厘米的空間內仍然有超過400個來自宇宙微波背景輻射的光子。

CNB：宇宙中微子背景。除了光子，大爆炸還產生了大量的中微子。中微子的數量可能是質子的10億倍之多，這些如今緩慢運行的粒子有許多會墜入星系和星團，但是仍然有許多留存在星際空間。

宇宙大爆炸留下的餘輝——CMB輻射會滲透到整個宇宙。當一個粒子在空間運動時，會經常受到來自宇宙微波背景輻射的光子的轟擊。如果能量條件正確，即使像這樣的低能量光子的碰撞也可能產生新粒子。| 圖片來源：ESA/PLANCK COLLABORATION

任何在宇宙中穿行的粒子都會遇到來自WHIM的粒子，來自CMB的光子，以及來自CNB的中微子。

通往極限速度的障礙

儘管來自CMB的光子是其中能量最低的粒子，卻也是所有粒子中數量最多、分布最均勻的。無論一個物體是如何產生的，或者具有多少能量，都不太可能避免與這些138億年前的輻射發生相互作用。

對銀河系中心的多波段觀測顯示了恆星、氣體、輻射、黑洞，以及其他物質。| 圖片來源：NASA/ESA/SSC/CXC/STSCI

當我們想到宇宙中能量最高，也就是運動速度最快的粒子時，我們能預計它們是在宇宙所能提供的最極端條件下產生的，在這些地方能量最高、磁場最強，比如說在中子星、黑洞這類坍縮的物體附近。

在中子星和黑洞附近，不僅能找到宇宙中最強的引力場，理論上也能找到最強的電磁場。這些極強的電磁場，是由存在於中子星表面或黑洞周圍的吸積盤中的那些接近光速運動的帶電粒子所產生的。

運動的帶電粒子會產生電磁場，當穿過這些電磁場時粒子會加速。這種加速不僅會發射出從X射線到射電波段的光，還會產生觀測到的最高能量的粒子——宇宙射線。

在這幅藝術作品中，耀變體正在加速質子產生介子，進而產生中微子和伽馬射線。| 圖片來源：ICECUBE/NASA

在地球上，大型強子對撞機（LHC）最高可以將粒子加速到299,792,455米/秒——光速的99.999999%，然而，宇宙射線卻能突破這個限制。

最高能量的宇宙射線大約是LHC所能產生的速度最快的質子能量的3600萬倍。假設這些宇宙射線也是由質子構成的，那麼它的速度將是299,792,457.999999999999992米/秒，這與真空中的光速非常接近，但仍然低於光速。而當我們接收到這些宇宙射線的時候，很有可能它們的能量還會更低。

所以，問題在於空間並不是真空。特別是當粒子穿越宇宙時，來自CMB輻射的光子會與它們發生碰撞和相互作用。無論粒子的能量有多高，它都必須穿越大爆炸殘留的輻射才能到達地球。

即使這種輻射非常冷——平均溫度大約只有2.725K，每個光子的平均能量大約為0.00023eV——也不容忽視。雖然這是一個很小的數字，但撞擊它的宇宙射線卻具有驚人的能量。

每當一個高能帶電粒子與光子相互作用時，它與所有相互作用的粒子都具有相同的可能性。根據E=mc2，如果能量允許，那麼它就有機會產生一個新的粒子！

只要兩個粒子以足夠高的能量碰撞，就有可能產生額外的粒子-反粒子對，或者量子物理學定律允許的新粒子。| 圖片來源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

如果產生一個能量超過5×1019eV的粒子，它最多傳播幾百萬光年的距離，就會與宇宙大爆炸遺留下來的其中一個光子發生相互作用。如果出現了這種相互作用，就會有足夠的能量產生一個中性的π介子，也就是說，π介子是從最初的宇宙射線中竊取能量的。

宇宙射線粒子的能量越高，產生π介子的可能性也就越大，這個過程可以持續進行，直到射線粒子的能量低於理論上的宇宙能量極限——GZK極限。GZK是以計算出這一極限的三位物理學家Greisen、Zatsepin、Kuzmin的名字命名。

與星際介質中任何粒子的相互作用會產生更多的軔致輻射（帶電粒子與原子或原子核發生碰撞時突然減速，發出電磁輻射的現象）。即使是較低能量的粒子也會受到影響，隨著電子-正電子對（以及其他粒子）的產生，輻射出能量。

由高能天體物理現象產生的宇宙射線可以抵達地球表面。當宇宙射線與地球大氣中的粒子碰撞時，就會產生大量通過地面陣列就可以探測到的粒子。如果這些粒子是在本星系群之外產生的，它們應該服從GZK截斷。| 圖片來源：ASPERA COLLABORATION / ASTROPARTICLE ERANET

我們認為，宇宙中的每一個帶電粒子——每一束宇宙射線、每一個質子、每一個原子核，都應該受到這個速度的限制。因此速度的極限不僅是光速，而是在大爆炸留下的餘輝和星系間介質中粒子的阻礙作用下，比光速還要稍微更低一些的速度。

如果我們看到任何能量更高的東西，那將意味著：

高能粒子可能以一種不同於我們目前預期的規律在運作；

或者它們是在比我們想像中近得多的地方產生的——在本星系群或銀河系內部，而不是在遙遠的銀河系外的黑洞；

又或者，它們根本不是質子，而是複合的原子核。

我們看到的少數突破了GZK障礙的粒子，它們的能量的確超過5×1019eV，但無法超過3×1021eV——鐵核對應的能量值。由於許多最高能量的宇宙射線已被證實是重核，而不是單個質子，所以這被認為是極高能宇宙射線的最可能解釋。

宇宙射線的光譜。隨著能量越來越高，我們發現宇宙射線越來越少。我們預計，在5×1010GeV）處，會出現完全的截斷，但是卻看到了超過、甚至10倍於這一能量的粒子。| 圖片來源：HILLAS 2006 / UNIVERSITY OF HAMBURG

因此，在宇宙中傳播的粒子都具有一個速度極限，這個極限不是光速，而是一個更低的速度，它由大爆炸餘輝的能量決定。隨著宇宙繼續膨脹和冷卻，在宇宙學的時間尺度上，這一速度極限將緩慢上升，越來越接近光速。

但需要記住的是，當你在宇宙中航行時，如果速度太快，即使是大爆炸的餘暉也可以把你炸飛。只要你是由物質構成的，就有一個你根本無法克服的宇宙速度極限。

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/10/09/the-universe-has-a-speed-limit-and-it-isnt-the-speed-of-light/#211e2bef7554

《環球科學》11月刊現已上市

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！