全部答案

2016-06-18 09:16:42

•   速度是个物理学的概念。它也是一种能令人心跳加速、产生兴奋的催化剂。追求极速是人类的梦想。在人类认识史的漫漫长河中，人们一直认为光速的快是可望而不可即的。随着科学技术的发展，人类认识世界的能力得到提高，在探索宇宙奥秘的过程中人们开始猜测，宇宙中是否有比光速更快的速度？
  快与慢是相对的，但是，我们能否就此得出结论:所有物体相对于“以不同速度运动着的参照系”的速度都是不同的呢？答案是否定的！光速就是个例外。
    实验和计算均证实，真空或空气中光速的大小与参照系的运动无关，它总是常数c，光速在静止的火箭或是飞驰的火箭上测量的结果也不变，并且光源的运动状态（速度、方向）与光速的大小也无关，这就是狭义相对论的“光速不变原理”。也就是说，将光源安装在火车、飞船上，不管它们处于静止状态还是运动状态，测得的光速都是一样的，光在真空中的速度大约总是30万千米/秒。
    相对论有一个根本的立论:任何物体的运动速度，不能超过光速，光速在所有已知速度中是最大的，光速是自然速度的极限。
  理论上计算出的光速是c=299792。50千米/秒，1983年10月，第17届国际计量大会把c=299792。458千米/秒作为光速的确定值，这同理论上计算出的数值相吻合。
    电磁场理论的奠基人麦克斯韦是第一个在理论上做出精确计算的人。在他创建的电磁场理论中，不仅证明了光是一种电磁波，而且还从真空的介电系数E。和磁导率μ0叫计算出真空中的光速为299792。458±0。0012米/秒。
  可是，如果物体的速度接近光速时，物体的特性会发生出人意料的变化。
    表现之一是物体质量会随之增加，愈与光速接近，质量增加得愈大。相对论用下面的著名方程来表示:c=m0v2。这里m是物体以速度v运动时所具有的质量，m0是物体的静止质量，即物体不运动时的质量，c为光速。
  我们可以从这个关系式清楚地看到：随着v与光速接近，分母减小，开始是缓慢地减小，后来越来越快;最后V等于光速c时，物体的质量就变为无限大。
    
  一个物体的质量是无限大，这是无法想象的。只有一个趋向无限大的力，才能促使一个趋向无限大的质量加速。可是，自然界里，找不出一个质量是无限大的物体，也找不到一个无限大的力。宇宙浩瀚无边，但其中每一个成员如太阳、地球却都是有限的，它们受到的力也是有限的。
    这样，得出的唯一结论只能是一切物体运动的速度不能超过或者等于光速。
  为什么相对论所预期的质量增加在日常生活中我们观察不到呢？质量增加的效应不明显主要是因为通常物体运动的速度太小。以火箭为例，它以11千米/秒的速度（脱离地球影响成为太阳行星的第二宇宙速度）运动着，如果它在地面上的质量（静止质量）是100千克，那么在11千米/秒的速度下，它的质量只能增加0。
    35毫克。而粒子加速器里的情况就大为不同，如果带电粒子的速度升高到250,000千米/秒，则它的质量将增大到静止质量的两倍以上，这个时候它的加速不仅会越来越困难，而且还会出现一系列由于质量增加而产生的问题。
  光速不可超越的结论是否正确呢？大量事实证明这一结论是正确的。
    带电粒子如电子、质子想要加速到等于光速是不可能实现的，就连目前世界上最强大的加速器都无法做到。但是，在宇宙星体的观测过程中，科学家发现了似乎是超光速的现象:20世纪60年代，天文学家用射电望远镜发现了“类星体”。其中有些“类星体”包括两个射电的子源，它们以很大的速度相互分离，有的分离速度就甚至远远超过光速。
    美国的一些天文学家1972~1974年间发现，塞佛特星系3C120自身膨胀的速度达到了光速的4倍。1977年前，又陆续发现类星体3C273、3C345和3C279各自的两个组成部分的分离速度分别达到光速的9。6倍、10倍和19倍。
  近年来，又有十个类星体的两个子源被天文学家用分辨率极好的长基线射电干涉仪发现，它们的分离速度均达到光速的7或8倍。
    由此可见，河外射电源的各组成部分分离的速度能够超越光速膨胀并非是罕见的事例。
  这一物理现象实际上违背了狭义相对论，科学家会对此会做出怎样的解释呢？英国剑桥大学的天文学家兰登•贝尔认为，这是一种光学错觉。他提出，要阐明这个现象仍然要借助爱因斯坦的学说:如果两子源以近乎光的速度向着地球运动，我们就会产生时间感觉上的差异。
    因为发射较晚的光越过较短的距离，两子源实际分离的时间比地面观测者看到运动所经历的时间要长。因此，从两子源各自的参照系来看，它们向外膨胀的速度并未超过光速。如果要避免产生超光速错觉，那两子源只能以垂直于视线的方向离开。这是目前天文界比较流行的一种解答模式。
    让我们举一个飞机飞行的例子，来帮助读者更加明了这个模式。一架亚音速飞机从观测者头顶上俯冲斜插而下，飞机发动机在1000米高度上发出一声特别的响声，当飞机下降到100米高度时又发出同样的一声响声，按照距离，1000米高度发出的响声会比100米高度发出的响声早几分之一秒传到观测者的耳朵里。
    在这种情况下，观测者要是仅仅根据这两次响声来计算飞机的速度，就会得出飞机在几分之一秒内从1000米下降到100米的结论，如此一来，飞机的速度自然会大大超过音速。在光波和无线电波的频率范围内，这种与声波传播的时间差相类似而引起的错觉也同样存在。
    有人计算过:如果观测者视线与两个射电源的轨道轴之间形成的夹角为12°，那么，它们离开的实际速度就会比视速度高出十倍。
  甚至有人提出“投影效应说”，来解释类星体的超光速现象。这个说法认为就像直角三角形直角边上的两点，互相以接近光的速度分离，它们在斜边上的投影点就可能作超光速分离。
    自从天体的引力场能使光线会聚的“引力透镜效应”被科学家发现后，科学家提出，引力透镜放大能够使类星体发生超光速现象。这并不能算作超光速的实例，因为造成这种现象的原因可能还有别的，这只能说是一种超光速的表象。
  除了兰登•贝尔模式对类星体超光速膨胀现象作出的解释外，还可举出“传播条件发生变化论”和“花环模式”等。
    我国北京天文台的梁宝鎏和崔振兴提出了“视超光速现象”的相对论激波模型。但北京师范大学的曹盛林和中国科学技术大学研究生院的刘永镇、邓祖淦等三人则认为洛伦兹变换只能描述亚光速运动，狭义相对论无法否定超光速运动的可能存在。如果假定物质可以存在一种真实的大于真空中光速度的运动，则可以建立起一种新的理论。
    他们以3C34、3C273和3C120为例，讨论了史瓦西场中的超光速运动，表明只要适当选择中心场的质量，史瓦西场中的类空测地线，就能很好地符合上述三个河外射电源的超光速膨胀的观测数据。他们甚至计算出这些射电源的质量为太阳质量的1012〜1013倍。
    
  我们不禁猜想，如果一个物体的速度超过光速又会怎样呢？狭义相对论的有关方程向我们解释了这个问题。如果这个物体的速度超过光速，那它的长度和质量，将不能用一般的实数来表示，只能引用虚数。人们断定这种东西是不可能存在的，因为这根本无法想象。但是，认为不可想象的东西就是不能存在的东西，会不会有点武断？
  光速不变，爱因斯坦在建立相对论时并没有什么实验依据，光速不变只是他的一个大胆假设。
    爱因斯坦把光速放到这种与众不同的特殊地位，人们十分熟悉的速度合成关系被直接破坏。虽然这个理论因此遭到众多的非议。然而，到目前为止，它的正确性已经被很多实验证实。
  事件发生的因果律即使是爱因斯坦的相对论同样也要遵守。根据因果律的要求，无论从哪个参考系来看，有因果关系的两个事件发生的先后顺序都是不容颠倒的，也就是说，保证因果关系不会颠倒就必须使一切物体的运动速度小于光速才行。
    事实上，首先是因果关系在任何情况下不容许颠倒，才导致了光速是一切相互作用传播的最大速度，也是任何物质运动的极限速度；反之如果物体的速度大于光速，就会出现因果颠倒的荒谬局面。相对论明确指出，任何物体（或粒子）的速度总是小于C最多等于C这个理论上的结果已被大量实验所证实。
    然而，狭义相对论并没有限制任何速度都不能超光速，它只对物体的运动速度，或者信号传播和作用传递的速度给出了极限而已，还有，狭义相对论也有其使用的条件和范围，它也并非是万能的理论。因此，自然界本来就存在超光速粒子的可能性不能仅根据一个光速不变原理就被排除。
    
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  廖***

  2016-06-18 09:16:42

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