我們都知道宇宙的極限速度為299792458米/秒，這個(gè)速度是宇宙中任何形式的能量所能達(dá)到的絕對(duì)最高速度。引力波以這種速度運(yùn)動(dòng)，光在真空中以這種速度運(yùn)動(dòng)，理論上膠子也以這種速度運(yùn)動(dòng)!簡(jiǎn)而言之，物理學(xué)家把這個(gè)速度稱(chēng)為宇宙極限速度C，我們需要理解的是，這個(gè)速度并不是光的專(zhuān)利，無(wú)質(zhì)量粒子都可以達(dá)到這個(gè)速度！

但是無(wú)論我們?nèi)绾闻?，永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到光速。原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)槲覀冇匈|(zhì)量。但我們必須理解的是，對(duì)于一個(gè)有質(zhì)量的物體，我們可以對(duì)它進(jìn)行無(wú)限加速，物理公式并沒(méi)有說(shuō)不讓我們達(dá)到光速，只要我們擁有無(wú)限的能量，我們?nèi)祟?lèi)目前確實(shí)無(wú)法創(chuàng)造出這么巨大的能量，但是人類(lèi)不行，宇宙可以啊，把一個(gè)質(zhì)量粒子加速到超光速的能量對(duì)超新星、類(lèi)星體、黑洞來(lái)說(shuō)小意思，但是我們?yōu)槭裁礇](méi)有發(fā)現(xiàn)超光速質(zhì)量粒子呢？即使擁有巨大的能量，為什么質(zhì)量粒子的速度還被限制299792458米/秒之下？我們宇宙的極限速度為何是299792458米/秒？

人類(lèi)的速度極限

但這并不意味著我們?nèi)祟?lèi)會(huì)滿足于90%的C，或者99%，甚至99.9999%，我們一直在為額外增加速度，額外增加能量，額外增加推力而奮斗，為越來(lái)越接近無(wú)法達(dá)到的極限C而努力。

在歐洲核子研究中心(CERN)我們已經(jīng)將粒子加速到非常接近C，我們還發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。

通過(guò)將兩個(gè)質(zhì)子相互撞擊，（一個(gè)質(zhì)子以299792447米/秒的速度朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)(僅比光速低了11米/秒)，另一個(gè)質(zhì)子以同樣的速度朝相反的方向運(yùn)動(dòng)）我們就能產(chǎn)生強(qiáng)大的高能粒子，其能量上限只受愛(ài)因斯坦的E=mc^2限制，基本上可以完全釋放粒子質(zhì)量所攜帶的能量。在后來(lái)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，這個(gè)速度增加到299792455米/秒，這些質(zhì)子將是迄今為止地球上速度最快的質(zhì)子。

但它們并不是我們創(chuàng)造的速度最快的粒子。

因?yàn)橘|(zhì)子是一個(gè)相對(duì)較重的粒子，比圍繞它旋轉(zhuǎn)的電子重了1836倍!要使電子達(dá)到同樣的速度只需要加速質(zhì)子能量的1 / 1836(或0.054%)。這意味著大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP(大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC的前身)能夠?qū)㈦娮蛹铀俚綐O高的速度。

那么速度是多少?299792457.9964米/秒，或者說(shuō)是驚人的99.99999988%C，僅僅比真空中的光慢3.6毫米/秒!

但這些數(shù)字只是在我們地球上創(chuàng)造的，我們用超導(dǎo)電磁加速器加速粒子，我們的能量來(lái)源于微不足道的化學(xué)能源。與來(lái)自宇宙的能量相比，我們?nèi)祟?lèi)創(chuàng)造的能量簡(jiǎn)直太小兒科了。

高能宇宙射線所攜帶的能量

在宇宙中充滿了坍縮的恒星、超新星和超大質(zhì)量黑洞，包括上圖中活躍星系中心的黑洞，那里的磁場(chǎng)是我們?cè)诘厍蛏蟿?chuàng)造的磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)十億倍。宇宙射線主要由高能量質(zhì)子組成，從各個(gè)方向穿過(guò)宇宙空間，我們對(duì)撞機(jī)中加速的粒子所攜帶的能量與之相比根本不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。

宇宙的高能粒子產(chǎn)生時(shí)，最高的能量不再是用Gev(10^9 ev)， Tev(10^12 ev)甚至是Pev( 10^15 ev)來(lái)衡量。這些宇宙射線中的能量可以一路飆升到10^19 ev以上!

這么高的能量，這時(shí)你可能會(huì)認(rèn)為，這些質(zhì)量粒子會(huì)不會(huì)被加速到光速或者超過(guò)光速呢？

理論上是可以的，上文說(shuō)過(guò)加速只需要足夠的能量!但是宇宙似乎對(duì)物質(zhì)攜帶的能量有限制。因?yàn)楫?dāng)能量在5×10^19 eV以上時(shí)，宇宙不會(huì)讓粒子保持在這個(gè)能量之上!

無(wú)論最初創(chuàng)造的粒子攜帶的能量有多高，這些粒子傳播時(shí)都必須穿過(guò)大爆炸留下的微波輻射。

微波輻射平均溫度約為2.725開(kāi)爾文，比絕對(duì)零度高不到3度。如果我們要計(jì)算每個(gè)光子的均方根能量，大約是0.00023電子伏，一個(gè)很小很小的數(shù)字。

正是這些微弱的微波輻射創(chuàng)造了宇宙的速度極限！

高能帶電粒子穿過(guò)微波輻射時(shí)有機(jī)率與光子發(fā)生相互作用，那么就出現(xiàn)這種可能性:如果能量允許，根據(jù)E=mc^2，高能帶電粒子與光子作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的粒子!

粒子不能免費(fèi)獲得能量；它必須來(lái)自創(chuàng)造它的系統(tǒng)！高能粒子在能量值10^17ev開(kāi)始，就會(huì)在碰撞中產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)，但這是一個(gè)能量損失非常低效的過(guò)程，粒子可以在該能量之上傳播數(shù)億光年。

但是更高能量的粒子碰撞還會(huì)產(chǎn)生最輕的強(qiáng)相互作用粒子中性π介子，每一個(gè)π介子會(huì)損耗135Mev的能量。

有一個(gè)能量閾值稱(chēng)為GZK極限值，高于5×10^19 eV的高能粒子與微波發(fā)射發(fā)生作用就會(huì)發(fā)射中性π介子，直到低于這個(gè)能量閾值！(如果高能粒子有更高的能量，就會(huì)產(chǎn)生其他粒子，能量損失的更快！)

GZK極限是以提出者Greisen、Zatsepin、Kuzmin三人姓氏之首字母為名的理論上限，描述源自遠(yuǎn)處的宇宙射線應(yīng)有的理論上限值。

最近幾年一些科學(xué)家認(rèn)為在地球上觀測(cè)到的宇宙射線中的粒子能量超過(guò)了這個(gè)閾值，這意味著觀測(cè)到的高能粒子很可能是在我們星系中產(chǎn)生的，傳播距離短，能量還沒(méi)來(lái)得及損耗到極限值以下，要么就是我們對(duì)相對(duì)論的理解有問(wèn)題(幾乎不可能)。還有另外一個(gè)被大多數(shù)科學(xué)家接受的可能性，那就是我們測(cè)量這些前所未有的高能量粒子存在一些問(wèn)題。

目前觀測(cè)宇宙高能粒子的兩個(gè)最先進(jìn)的天文臺(tái)/實(shí)驗(yàn)，皮埃爾·奧格天文臺(tái)和高分辨率復(fù)眼實(shí)驗(yàn)，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超過(guò)5×10^19 eV的宇宙射線。當(dāng)一個(gè)質(zhì)子以GZK極限運(yùn)動(dòng)時(shí)，你知道這個(gè)極限能量對(duì)質(zhì)子的速度意味著什么嗎?

299792457.99999999999999999999918米/每秒。

從數(shù)字上看基本已經(jīng)達(dá)到了光速，或者我們換個(gè)角度看看，如果一個(gè)擁有GZK極限能量的質(zhì)子和一個(gè)光子比賽，飛往離我們最近的恒星比鄰星(上圖中間紅色的恒星)，不可否認(rèn)光子會(huì)先到達(dá)，但是質(zhì)子僅落后22微米，700飛秒后到達(dá)。

如果質(zhì)子和一個(gè)光子一路飛向距我們254萬(wàn)光年的仙女座星系，然后再飛回來(lái)，這個(gè)旅程將需要將近500萬(wàn)年，質(zhì)子可能會(huì)遲到大約13秒。

我們所知道的每一個(gè)帶電粒子、每一束宇宙射線、每一個(gè)質(zhì)子、每一個(gè)原子核都受到宇宙極限速度的限制!其實(shí)只是比光速低了那么一點(diǎn)點(diǎn)，所以當(dāng)我們夢(mèng)想著在宇宙中超光速旅行時(shí)，這個(gè)想法真的很危險(xiǎn)！因?yàn)閬?lái)自宇宙大爆炸的微波輻射會(huì)立即與我們發(fā)生相互作用，損耗能量的同時(shí)順便也會(huì)把我們烤焦!

這就是宇宙限制所有物質(zhì)速度的原因！