我们都知道,宇宙存在速度限制,也就是光速限制,每秒299792458 米。
这一数值并非凭空而来,它是宇宙秩序的基石之一,界定了宇宙中任何形式能量所能企及的绝对速度上限。
引力波,这一源自宇宙深处剧烈天体事件(如黑洞合并、中子星碰撞)的时空涟漪,以这个速度在宇宙的浩瀚时空结构中穿梭,就像无形的信使,携带着宇宙深处的奥秘与故事;光,在真空中展现出其最为纯粹的速度姿态,以 299792458 米 / 秒的速度疾驰,为黑暗的宇宙带来光明与希望,让我们得以窥探遥远天体的壮丽景象;胶子作为传递强相互作用力的基本粒子,同样具备以该速度运动的能力。
简而言之,物理学家们将这个速度尊称为宇宙极限速度 C。需要明确的是,这个速度并非光的专属特权,所有无质量粒子在宇宙的舞台上都拥有以速度 C 驰骋的 “入场券”。
然而,对于我们人类以及宇宙中众多有质量的物体而言,无论付出何种努力,无论科技如何发展进步,都永远无法触及光速这一神圣的速度之巅。
其中的缘由其实并不复杂,根源就在于我们自身所携带的质量属性。
从物理学的基本原理出发,我们必须清晰地认识到,对于一个有质量的物体,虽然物理公式并未从理论上完全禁止其达到光速,但要实现这一目标,需要一个近乎不可能的条件 —— 拥有无限的能量。
在当前的科技水平下,人类确实无法创造出如此磅礴、近乎无穷无尽的能量。不过,当我们将视野从人类狭小的科技范畴扩展到广袤的宇宙时,情况似乎有所不同。宇宙中存在着诸如超新星爆发、类星体闪耀以及黑洞周围物质吸积等极端天体物理过程,这些过程释放出的能量堪称天文数字。
以超新星爆发为例,一颗超新星在爆发瞬间释放出的能量,甚至可以超越太阳在其漫长数十亿年生命中所释放能量的总和。
从能量量级上看,将一个质量粒子加速到超光速所需的能量,对于这些强大的宇宙天体而言,似乎并非遥不可及。
但令人困惑的是,尽管宇宙拥有如此强大的能量源泉,我们至今却从未在宇宙中发现超光速的质量粒子。即便存在着巨大的能量供应,为何质量粒子的速度始终被牢牢限制在 299792458 米 / 秒之下?这个宇宙极限速度又为何恰好是 299792458 米 / 秒?
尽管我们深知达到光速对于有质量物体而言困难重重,但这并不能阻挡人类对速度极限的不懈追求。人类的好奇心与探索精神驱使着我们不断挑战自我,力求突破现有的速度边界。
我们并不满足于达到 90% C,或者 99%,甚至 99.9999% C 的速度。在科学探索的征程中,我们始终为额外增加速度、额外增加能量、额外增加推力而全力以赴,坚定不移地朝着那个看似无法达到的极限 C 努力奋进。
在欧洲核子研究中心(CERN)这个汇聚了全球顶尖科研力量的科学圣地,科学家们致力于探索微观世界的奥秘,其中一项重要工作便是对粒子进行加速研究。
通过复杂而精妙的实验装置与技术手段,他们已经成功将粒子加速到极其接近 C 的速度。在这一探索过程中,还取得了一项举世瞩目的重大发现 —— 希格斯玻色子。为了深入研究粒子间的相互作用以及探索物质的深层次结构,科学家们采用了一种极为巧妙的实验方法:将两个质子相互撞击。
在实验中,一个质子以 299792447 米 / 秒的速度朝着一个方向风驰电掣般运动,这个速度仅比光速低了 11 米 / 秒,可谓是无限接近光速;与此同时,另一个质子以同样惊人的速度朝着相反方向运动。
当这两个高速质子相互碰撞时,瞬间释放出的能量极为强大,所产生的高能粒子能量上限仅受限于爱因斯坦那著名的质能公式 E=mc²。在这个过程中,基本上可以将质子质量所蕴含的能量完全释放出来,为科学家们研究微观世界的物理规律提供了一个强大的 “放大镜”。随着科技的不断进步,在后续建成的大型强子对撞机(LHC)中,质子的加速速度进一步提升,达到了 299792455 米 / 秒。
这些质子成为了迄今为止在地球上实验室环境下速度最快的质子,它们在环形轨道中高速运转,仿佛一群微观世界的 “极速赛车手”,为人类探索物质奥秘的征程注入了强大动力。
然而,这些速度惊人的质子并非人类创造的速度最快的粒子。
在微观世界的粒子家族中,质子虽然在我们日常生活的尺度下显得极为微小,但在粒子的 “江湖” 里,它却是一个相对较重的角色。质子的质量比围绕它旋转的电子重了 1836 倍。这一质量差异在粒子加速过程中产生了显著影响。
根据物理学原理,要使电子达到与质子相同的速度,所需的加速能量仅为加速质子能量的 1 / 1836(或 0.054%)。这一特性使得大型正负电子对撞机 LEP(大型强子对撞机 LHC 的前身)能够将电子加速到一个更为惊人的速度。那么,电子的加速速度究竟达到了多少呢?
答案是 299792457.9964 米 / 秒,换算成与光速的比例,这个速度达到了惊人的 99.99999988% C,仅仅比真空中的光慢了 3.6 毫米 / 秒。
如此微小的速度差距,几乎可以忽略不计,电子仿佛在微观世界的赛道上与光并驾齐驱,展现出人类科技在微观粒子加速领域的卓越成就。
但我们必须清醒地认识到,这些令人惊叹的速度数字仅仅是在地球这个有限的实验环境中创造出来的。在地球上,我们主要依靠超导电磁加速器来实现对粒子的加速,而这些加速器所依赖的能量来源,不过是地球上相对微不足道的化学能源。
当我们将目光从地球实验室转向广袤无垠的宇宙时,会发现人类创造的能量与之相比,简直如同沧海一粟。
在宇宙的宏大舞台上,充满了各种极端天体物理现象。坍缩的恒星,在其生命的最后阶段,会经历剧烈的引力坍缩过程,释放出巨大的能量;超新星爆发时,其亮度瞬间可以超越整个星系,释放出的能量足以照亮整个宇宙的一角;超大质量黑洞,宛如宇宙中的饕餮巨兽,在其周围形成强大的引力场,物质在被黑洞吞噬的过程中,会释放出极为强大的能量,其周围的磁场强度更是我们在地球上创造的磁场强度的数十亿倍。
此外,宇宙射线如同宇宙中的 “幽灵信使”,主要由高能量质子组成,它们从宇宙的各个方向穿越浩瀚的宇宙空间,源源不断地抵达地球。与这些宇宙射线中粒子所携带的能量相比,我们在对撞机中加速的粒子能量简直不值一提,二者完全不在一个数量级上。
在宇宙高能粒子的产生过程中,能量的量级达到了一个令人难以想象的高度。
此时,传统用来衡量粒子能量的单位,如 Gev(10^9 ev)、Tev(10^12 ev)甚至是 Pev(10^15 ev),已经无法满足对这些超高能粒子能量的描述需求。这些宇宙射线中的能量可以一路飙升到 10^19 ev 以上!
面对如此高的能量,我们会产生这样的疑问:这些有质量的粒子在如此强大的能量作用下,会不会被加速到光速甚至超过光速呢?
从理论层面来看,根据我们对粒子加速原理的理解,只要拥有足够的能量,似乎是可以将粒子加速到任意速度的,当然也包括光速及超光速。
然而,宇宙似乎并不打算让事情如此简单地发展。在现实的宇宙运行机制中,物质携带的能量似乎存在着某种限制。当粒子能量达到 5×10^19 eV 以上时,宇宙仿佛启动了一种 “能量刹车” 机制,不会让粒子的能量持续保持在这个阈值之上。
那么,究竟是什么因素导致了这种能量限制的出现呢?答案隐藏在宇宙微波背景辐射之中。
宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸留下的余晖,它均匀地弥漫在整个宇宙空间。其平均温度约为 2.725 开尔文,仅仅比绝对零度高不到 3 度。如果我们运用物理学知识计算每个光子的均方根能量,会得到一个极小的数字,大约是 0.00023 电子伏。
然而,正是这些看似微弱的微波辐射,在宇宙的舞台上扮演了一个至关重要的角色 —— 创造了宇宙的速度极限。
当高能带电粒子在宇宙空间中穿越微波辐射时,会有一定的几率与微波辐射中的光子发生相互作用。在这种相互作用过程中,会出现一种神奇的可能性:如果能量条件允许,根据爱因斯坦的质能公式 E=mc²,高能带电粒子与光子的相互作用将会产生一个新的粒子。
在这个过程中,有一个重要的物理原则需要遵循:粒子不能凭空免费获得能量,它所获得的能量必须来自创造它的系统。当高能粒子的能量值达到 10^17ev 时,就会在与微波辐射光子的碰撞中产生正负电子对。
不过,这个过程对于高能粒子而言,是一个能量损失相对低效的过程,即便如此,粒子在该能量之上仍然可以在宇宙空间中传播数亿光年之遥。
然而,当粒子能量进一步提升,更高能量的粒子碰撞会产生一种更为特殊的粒子 —— 最轻的强相互作用粒子中性 π 介子。每产生一个中性 π 介子,高能粒子就会损耗 135Mev 的能量。
在这里,存在着一个关键的能量阈值,被称为 GZK 极限值。
当高于 5×10^19 eV 的高能粒子与微波发射发生相互作用时,就会发射中性 π 介子,这个过程会持续进行,直到高能粒子的能量降低到这个阈值以下。如果高能粒子拥有更高的能量,那么在与微波辐射光子的相互作用中,还会产生其他种类的粒子,从而导致能量损失的速度更快。
GZK 极限是以提出者 Greisen、Zatsepin、Kuzmin 三人姓氏之首字母为名的理论上限,它就像一个无形的屏障,描述了源自远处的宇宙射线应有的理论能量上限值。
在近年来的科学研究中,一些科学家声称在地球上观测到的宇宙射线中的粒子能量超过了这个 GZK 极限阈值。这一观测结果引发了科学界的广泛关注与深入探讨。
对于这一现象,目前存在几种可能的解释。一种观点认为,观测到的这些超高能粒子很可能是在我们所在的星系中产生的。由于其产生位置距离地球相对较近,在传播过程中能量还没来得及损耗到 GZK 极限值以下,因此我们才观测到了超出理论上限的能量。
另一种可能性则是,我们目前对相对论的理解存在某些尚未被发现的问题。然而,相对论作为现代物理学的重要基石之一,经过了无数实验和观测的验证,因此这种可能性几乎微乎其微。还有一种被大多数科学家所接受的观点认为,我们在测量这些前所未有的高能量粒子时,可能存在一些尚未解决的问题。
由于这些超高能粒子的能量量级远远超出了我们传统测量手段的适用范围,现有的测量技术和方法可能无法准确地对其能量进行测定,从而导致了观测结果与理论预测之间的偏差。
为了更准确地观测宇宙高能粒子,人类建造了许多先进的天文台和实验设施。
其中,皮埃尔・奥格天文台和高分辨率复眼实验是目前观测宇宙高能粒子的两个最为先进的天文台 / 实验。这两个实验设施运用了最前沿的技术手段,对来自宇宙各个方向的高能粒子进行全方位、高精度的监测。
然而,经过长时间的观测与数据积累,它们均未发现超过 5×10^19 eV 的宇宙射线。这一观测结果从侧面进一步验证了 GZK 极限理论的正确性。
当一个质子以 GZK 极限能量运动时,其速度达到了 299792457.99999999999999999999918 米 / 每秒。从数字上看,这个速度已经基本无限接近于光速。
为了更直观地感受这个速度与光速的接近程度,我们可以进行一个有趣的对比。如果让一个拥有 GZK 极限能量的质子和一个光子进行一场前往离我们最近的恒星比邻星(在天文观测图像中,它位于画面中间,呈现为一颗红色的恒星)的赛跑,毫无疑问,光子会凭借其速度优势率先到达终点。
但令人惊讶的是,质子仅仅落后光子 22 微米,并且在光子到达后的 700 飞秒后也抵达了比邻星。再把目光放得更远一些,如果质子和光子进行一场更为漫长的旅程,一路飞向距我们 254 万光年的仙女座星系,然后再飞回来,这个旅程将需要将近 500 万年的时间。
即便在如此漫长的旅程中,质子也只是比光子迟到大约 13 秒。这一对比充分展示了在 GZK 极限能量下,质子的速度与光速的接近程度已经达到了令人难以置信的地步。
从宏观的宇宙视角来看,我们所知道的每一个带电粒子、每一束宇宙射线、每一个质子、每一个原子核,无一例外地都受到宇宙极限速度的严格限制。
实际上,它们的速度只是比光速低了那么极其微小的一点点。这一现象深刻地揭示了宇宙运行的基本规律。
当我们怀揣着在宇宙中超光速旅行的梦想时,必须清醒地认识到这个想法所面临的巨大挑战与潜在危险。因为来自宇宙大爆炸的微波辐射弥漫在整个宇宙空间,当我们试图以超光速前进时,会立即与这些微波辐射发生强烈的相互作用。
在这个过程中,不仅会损耗大量的能量,更严重的是,这种相互作用所产生的能量释放可能会将我们瞬间烤焦。这就是宇宙以一种极为巧妙而又严格的方式,限制所有物质速度的根本原因。
第一页内容: 光的电磁感应原理解释光电效应的详细解释:前面说了光是由电子的振动产生的电磁波。我们首先说一下电磁感应原理,当线圈中的磁通量发生变化时线圈会产生感生电动势其大小与通过线圈中的磁通变化率成正比。公式为E = -dΦ/dt 其中,E表示感应电动势的大小,Φ表示磁通量,t表示时间,d表示微分符号,dt表示时间的微小变化量。日常生活中的变压器、交流电动机、电磁炉甚至微波炉等都是利用电磁感应原理来工作的。现在说一下我们日常使用的无线通讯工具也是用电磁感应原理来工作的。首先无线电信号发射器是由一个信号振荡器产生一定频率的主频振荡信号,然后将要发出的信息用调频或调幅的方式加载到振荡信号上,然后用天线将振荡电磁波发射出去。无线接收器则是采用调谐器将接收器的谐振器的频率调到与发射器的振荡频率一样利用电磁谐振原理使无线电波与谐振器发生共振从而高效的接收对应的无线电波信号,这种接收无线信号的原理本质上就是电磁感应原理!下接笫二页:
要理解光波我觉得可以和水波对应起来。把一潭平静的湖水看作是真空中的磁场,把一颗小石子看作是电子,当把一颗小石子投入平静的湖水时会激荡起水波,就象电子振动产生电磁波一样。水波观察起来就比电磁波直观多了。水波就是传递这颗小石子的能量波,相对于电磁波就是传递电子振动的能量波了。我对原子模型的理解是电子是以一定的固定阵列分布在原子核周围,在不同势能位电子振动的固有频率不同,所以不同原素会有对应的光谱线。拉曼效应就是原子的电子振动固有频率的最好证明。温度反映的就原子中电子振动程度。所有能量的传递都是靠电磁感应(电磁波)来传递的。光电效应就是电磁感应原理产生的。赫兹发现电磁波的实验其实就是最早的光电效应实验,只是其用的是不可见光(高频电磁波)。这样所有物理学理论都串联起来了,而且所有理论都通顺了!现有的原子模型也应该是错误的,电子并非绕核旋转,而是在某一固定阵列位置按固有频率在振动。
光的电磁波理论遇到最大的难题就是解释光电效应实验。我已经成功地用电磁感应原理完美地解释了光电效应实验。而且还完美地解释了假设的光子撞击电子为什么电子的逸出方与入射光方向无关的问题。而用偏振光做光电效应实验却对逸出电子的逸出方向相关!而且还能解释少量逸出电子的能量与入射光的能量成倍增加。而这些把光假设成粒子是无法解释光电效应的这些实验结果的。唯有用电磁感应原理来解释光电效应实验才能完美地解释这些实验结果。既然不存在“光量子”何来的量子通信?如果真的存在量子纠缠,那么用电子纠缠来做量子通信是最容易实现的。先制备一对纠缠态的电子把其中一个电子用导体移动到另一端(可以是1米或几万K米),然后测量其中一个电子的状态另一个电子的状态就确定了,这样就可以做出真正的量子通信了!而不是用激光来骗人了。目前世界上根本就没有人能做出真正的纠缠态电子对,所以只能用偏振光的交织说成是什么光子纠缠来骗人其实本质上还是激光通信。
接第二页: 光电波照到光电效应的金属材料上时,材料上的电子就会受到光电波的电磁感应从而获得相应的电动势(能量)。这种电磁感应在真空状态下几乎是无损耗的。我们日常使用的变压器其实它的电磁感应效率也是很高的,只是它存在铁损和铜损。其实专家们也知光波和电子是存在本质的区别的,首先光波符合所有波的特性:折射、衍射、干涉、反射等还有一个重要的属性就是不用任何加速器一经产生即达光速。这个属性包括机械波也是一样。而电子等实物粒子除了所谓的电子双缝干涉实验表面上看具有干涉性,实际就是衍生物而已 。波最关健的1个属性就是一经产生就能达到属于性其自身本质属性的固有速度。电子和其它实物粒子是没有这个波的基本属性的。实物粒子的速度是需要加速器来加速的,一但停止加速它们的速度很快就会衰减。而很多专家为了证明光具有波粒两象性,拼命去实验验证光具有质量,波粒两象性理论已经出来上百年了直到现在也还没有人能证明光具有质量。最后只能搞出来1个更加荒谬的光没有静止质量,只有动质量的质能方程。
中国人如果能打破崇洋媚外的心理,在光的本质属性问题上实现物理学理论的突破将会为为物理学作出重大贡献!希望有志于实现中国物理学突破的人联合起来共同攻关,只要做出几个关健性的实验就能成功突破。第一,用偏振光做光电效应实验准确测出逸出电子方向与偏振光的偏振方向的关系。第二,用钠做发射极用黄光(钠原子光谱)做光电效应实验测出逸出电子能量倍增的规律。第三,用不同金属材料来做电子双缝干涉实验的双缝,用这种双缝(金属接地)来做电子双缝干涉实验,观察实验结果。如果这3个实验结果与推论相符,那么证据就确凿了。就可以证明光子论和波粒两象性是错误的了!这样就可以带来一系列新的物理理论的出现!比如说原子模型也可能要重新定义。想一想都觉得激动!。测不准原理并非真的测不准。而是当光波或电子进入探测器时如果探测到了光波或电子的能量就被消耗掉了,如果顺利通过探测器那么探测器就没有探测到光波或电子也就没有干扰到光波或电子,那么它就会现相关的干涉现象了。
所谓的光的双缝干涉一观察就会坍塌是某些科学家选择性眼瞎?因为用最简单最原始的实验无论你怎么观察双缝干涉条纹都不会消失。很简单用一黑纸皮刻2条相互靠近的双缝,在一个暗室用激光笔照射双缝选择适当的距离用白色的墙壁做屏幕即可,就可以稳定地观察到光的双缝干涉条纹。无论你用什么角度,用双眼或者用单眼观察干涉条纹都不会消失,无论用胶片相机还是数码相机拍照干涉条纹也不会消!何来的一观察就坍塌?也许他们的所谓观察是在双缝上装探测器,这样的所谓观察难道不是因为所装的探测器影响光干涉的条件吗?这种观察难道不是选择性眼瞎吗?我不明白为什么那么多科学家会选择性眼瞎!假如光是粒子是正确的,在双缝上装上探测器,当单个“光子”通过时如果进入探测器那么它就无法到达屏幕,因为按这个假设无论它是真正的粒子还是所谓的能量子它通过探测器时只有被它吸收了才能探测到,被探测器吸收了那它就无法去到荧屏。如果“光子”能通过探测器到达荧屏那么探测器就探测不到它!因此这种所谓的探测实验是根本做不出来的,电子双缝双实验原理也是一样的。能做出来就说明自称所谓的单“光子”或单电子是假的,而是有部分光波或电子被探测器捕获一部分通过双缝到达荧屏
为什么光不需要多少能量就能瞬间达到光速?其实非常简单!因为光是电磁波不是粒子!
光的本质属性就是电磁波!没有粒子性!用光的电磁感应原理能完美地解释光电效应实验。根据本人用光波的电磁感应原理解释光电效应实验可以推导出用偏振光做光电效应实验会对逸出电子方向产生影响,逸出电子的方向与入射光波包的切线方向相同,而实验证明推论完全正确!光的电磁感应原理导论1:光的波包的磁通变化率与光的频率成正比,所以光的波泡对电子的感应能力与光的频率成正比!与实验结果相符。而光子论的假设是无法解释逸出电子方向与入射光方向无关的实验事实,而且逸出电子方向可以与入射光方向相反,爱因斯坦的光子论假设是光子撞击电子产生光电效应的,按此推论逸出电子方向应该与入射光同向,而实验事实却是与入射光方向无关反而与偏振光的偏振方向有关。所有实验证明用光波包电磁感应原理解释光电效应实验才是正确的光子论是错误的,波粒两象性更是谎谬!所谓的电子双缝干涉实验我认为是电子撞击双缝产生的衍生物,我们可以用不同材质的金属材料来做双缝中间隔栅两侧也用不同的金属看还能不能产生双缝干涉现象就知道。最简单的原因光的双缝干涉实验是不怕观察的,为什么电子双缝干涉怕观察?那是因为光的双缝干涉是真正的双缝干涉电子双缝干涉是假的双缝干涉。
接第一页: 这种无线电波的强度即每个波包的磁通量变化率主要由振荡线圈的电流大小决定,电磁波的能量大小主要是由每个波包的磁通量的变化率决定的,并不是机械波意义上那种由振幅来决定波的能量大小,电磁波的空间振幅是由它的频率决定的,频率越高空间振幅越小,而表征能量大小的磁通量变化率则由振荡线圈的电流变化率决定,振荡线圈电流变化率越大电磁波包的磁通量变化率越大波包的能量就越大。前面说过光是由电子振动产生的电磁波,由于电子的电量是一定的,电子振动一周的电流与其振动频率成正比,公I=Q/t 电流强度是指每秒钟通过导体的电荷量。同理电子振动产生的电磁波包磁通量的变化率与其振动电流成正比,而电子的振动电流与其振动频率成正比,因为电子振动频率越高单位时间内的电流越大。据此理论,光电效应就相当于是一个无线电信号接收器。
到目前为止人类连光的本质属性都没搞清楚更不要说控制单个光脉冲了!我的理论是根据电磁波原理(振荡电流产生电磁波)推导出光波是由单个电子振动产生的电磁波,一个电子振动一次产生一个光脉冲,一群电子振动产生一群光脉冲。所谓单光子目前人类还无法做到,因为人类到目前为止连控制一个原子都做不到更不要说控制一个电子。所谓探测,目前的探测手段也只探测一群光波,因为目前所有的感光材料都要有一定量的光波作用才能体现出来。所谓的单光子双缝干涉实验实际上是一群光波在起作用,只是要达到一定的量才能在屏幕上显示出来。如果还原光的电磁波属性,用光的电磁感应原理解释光电效应,解释黑体辐射(在光的电磁感应原理解释光电效应实验时说的光波作用于电子电子获得的能量就是一份份的,在效果上是不连续的)也就是说光的电磁感应原理也能解释黑体辐射实验。再有就是解释康普顿效应,是光激光辐射引起的,我认为光通过透明体是光激辐射也就是入射光激发透明体的电子引起透明体物质的电子共振再发射出光波,晶体里的电子振动频率受晶体原子势能的影响,不同角度的晶格电子受激后振荡频率不一样引起康普顿实验结果。声波通过空气或固体物传播的原理也是一样的。