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影子:幕后速度冠军
影子的自白:
人都说,有了光,才会有影子。所以,人们都喜欢事物光明、灿烂的一面,而讨厌总是躲在后面、看起来黑洞洞的我……然而,不是有个故事讲的是“没有影子的人”吗?只要你是一个现实存在的物体,就会在光线的照射下留下影子。否则,你就是一个像空气那样的“透明人”啦!
让我们先来做一个小实验:请用手电照自己的手,然后你就会看到,在后面的白墙上投下了一个手的影子。当你动一动手指,手指的影子也会同时移动。但你有没有注意到,它在墙上移动的距离,比手指移动的距离要长出许多!
是的。在相同的时间内,手指影子移动的距离比手指移动的距离要远。根据“距离÷时间=速度”的公式,可以推算出,手的影子移动的速度比手的移动速度要快得多。
为什么会这样呢?这是因为,你的手离手电的距离越近,投射出来的手的影子就越大。在光学里,有一个公式,当你的手与光源的距离为d,影子到光源的距离为D,那么影子的大小就是你的手大小的D/d倍。而你的手移动的距离,也会同时被放大到D/d倍。所以,影子比手移动的速度也会快上D/d倍。
想象一下,如果在宇宙中支起一张巨大的幕布,把一颗太阳那样的恒星作为光源,只要距离足够长,就可以创造出一个大小达到天文数字级别的影子怪兽,而它运动的速度完全可以超越光速!
光不服气,提出疑问:
可是……在宇宙里,没有任何物质的运动速度能够超过光速。这个可是爱因斯坦爷爷说的!他在《狭义相对论》中提到,在宇宙中的任何地方,光的速度都等于每秒30万公里,而且任何有质量的物质都无法超越这个速度。
比如,在大型强子对撞机中,粒子就可以被加速到光速的99.99%。不过因为它们还是具有质量,因此它们实际上永远无法达到真正的光速。
再比如,你给同学发出的电子邮件,也是有质量的!据科学家测算,一封大小为50KB的电子邮件,大约需要80亿个电子。它们的重量就是这封电邮的重量。因此,就连电子邮件的传递速度也不会超过光速。
那么,影子能够跑得比光快,难道说是爱因斯坦错了吗?这可是个世纪大发现!
让我们再来做个小实验:你用激光笔划过天空,天空中那个光斑的移动速度看起来就比你的动作更快。这和影子的道理是类似的:因为光斑也没有质量,所以它的运动速度就可以超过光速了。
实际上,影子和光斑的动作都有“延時”,这段时间,就是光从光源一直运动到影子或是光斑处所花的时间。在这个过程中,光的运动速度比它在真空中的速度还是要慢一些,所以——爱因斯坦没有错!没有任何物质或信息的传播速度可以超过光速。
物理老师敲黑板:
别高兴得太早!想打败爱因斯坦,哪有这么容易!你再好好读读他的那句话:“在宇宙中的任何地方,光的速度都等于每秒30万公里,而且任何有质量的物质都无法超越这个速度。”
而影子呢,请注意,它并不是一种物质!而且也没有质量!所以,它是可以超越光速的!
现在让我们来想一想,世界上除了影子,还有其他东西既没有质量,也不包含信息呢?
真空
真空中没有任何物质或信息,也没有质量,所以它的速度也可以超过光速。物理学家们认为,在宇宙诞生之初,也就是大爆炸发生之后的一万亿又一万亿分之一秒内,宇宙的真空边界在不断膨胀,这个速度是远远超过光速的。
量子
根据量子力学的原理,一对粒子的量子状态总是息息相关。不管它俩相隔多远,一个总是能够立刻知道另一个是什么状态,就好像它们之间有心电感应一样。一个粒子可以把自己的状态信息“咻”地一下传到另一个粒子那里。这个传播是瞬间完成的,速度比光速不知道快到哪里去了。
现在科学家们研究的量子信息通讯,就是根据这个原理。但目前,人们还无法控制粒子之间互相传播的信息内容。所以,还不能算是真正的“信息超越了光速”。
虫洞
这可是科幻故事作家的最爱。根据他们的设计,虫洞可以让人瞬间穿越到宇宙的另外一个地方,不管那地方有多远。如果虫洞真的存在,那么穿越虫洞的物质的速度就可以超越光速了。甚至还有人提出,组成虫洞的物质,它的质量可以变成负数!不过,这些都只是假设,无法得到科学的证实。
这么看来,虽然有很多东西都能比光跑得快,但它们都不能打破爱因斯坦的理论,那就是:光一秒钟可以跑30万公里,任何有质量的物质都无法超过它。一定要牢牢地记住哦!