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為什麼宇宙最快速度是299792458米/秒?

人們很早就知道光速非常快,甚至猜測光速是無限的。正因為光速極快,早期的物理學家很難精確測出光速。直到激光出現之後,物理學家才較為精確地測出光速。到了1983年,光速直接被定義為299792458米/秒。根據愛因斯坦的相對論,這個速度就是宇宙的極限速度。

那麼,為什麼光速是速度上限呢?

電子的質量非常低,僅為9.11×10^-31千克。根據牛頓物理學中的動能計算公式:

可以計算出,只要給予超過4.1×10^-14焦耳(相當於一萬億億分之一度電,或者256千電子伏特)的能量,一個電子就能被加速到光速。並且如果能量不斷增加,電子可以被不斷加速,使速度遠超光速。這麼看來,超光速是輕而易舉的事情。

然而,無論是在哪個粒子加速器中,即便是當今最為強大的大型強子對撞機,也無法把電子的速度加速到光速或者超光速。此前,物理學家用斯坦福線性加速器(SLAC)做過實驗,一個電子經過0.3米的加速後,速度達到了光速的99.5%。然而,再繼續經過3.2千米的加速,該電子的速度也只是在小數點後多了6個9,始終沒有達到光速。

至於原因,牛頓物理學只適用於低速情況,而在亞光速時,只有相對論才是描述事實的理論。從相對論中,可以導出如下的動能表達式:

可以看到,即便是質量小如電子,當速度無限接近光速之時,電子的動能將會是無窮大。因此,只要有靜止質量(m0),速度就不可能達到光速,光速是永遠也無法達到的極限速度。而對於沒有靜質量的物體,光速就是唯一的速度。至於超光速,理論是不允許的。

迄今為止,已知最快的亞光速是由來自宇宙中的神秘OMG粒子所創下的,其速度相當於光速的99.999…中間還有15個9…99951%。雖然這個速度非常接近光速,但仍然沒有達到光速。

光速不但最快,而且在所有參照系中保持一致(光速不變原理)。於是,物理學家把接近精確測量值的299792458米/秒定義為光速,這樣既不會讓此前與長度有關的參數發生可測的變化,也能把1米有多長給確定下來。

最後,需要注意的是,宇宙中有超光速的速度,那就是空間膨脹的速度。但空間不是物質和輻射,它自身的膨脹速度不受任何限制。

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