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

但是無論我們?nèi)绾闻Γ肋h(yuǎn)不會達(dá)到光速。原因很簡單，因?yàn)槲覀冇匈|(zhì)量。但我們必須理解的是，對于一個有質(zhì)量的物體，我們可以對它進(jìn)行無限加速，物理公式并沒有說不讓我們達(dá)到光速，只要我們擁有無限的能量，我們?nèi)祟惸壳按_實(shí)無法創(chuàng)造出這么巨大的能量，但是人類不行，宇宙可以啊，把一個質(zhì)量粒子加速到超光速的能量對超新星、類星體、黑洞來說小意思，但是我們?yōu)槭裁礇]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？

人類的速度極限

但這并不意味著我們?nèi)祟悤M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，為越來越接近無法達(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。

通過將兩個質(zhì)子相互撞擊，（一個質(zhì)子以299792447米/秒的速度朝一個方向運(yùn)動(僅比光速低了11米/秒)，另一個質(zhì)子以同樣的速度朝相反的方向運(yùn)動）我們就能產(chǎn)生強(qiáng)大的高能粒子，其能量上限只受愛因斯坦的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。在后來的大型強(qiáng)子對撞機(jī)中，這個速度增加到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)子是一個相對較重的粒子，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)電子對撞機(jī)LEP(大型強(qiáng)子對撞機(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，我們的能量來源于微不足道的化學(xué)能源。與來自宇宙的能量相比，我們?nèi)祟悇?chuàng)造的能量簡直太小兒科了。

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，那里的磁場是我們在地球上創(chuàng)造的磁場強(qiáng)度的數(shù)十億倍。宇宙射線主要由高能量質(zhì)子組成，從各個方向穿過宇宙空間，我們對撞機(jī)中加速的粒子所攜帶的能量與之相比根本不在一個數(shù)量級上。

宇宙的高能粒子產(chǎn)生時，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，這時你可能會認(rèn)為，這些質(zhì)量粒子會不會被加速到光速或者超過光速呢？

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

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

微波輻射平均溫度約為2.725開爾文，比絕對零度高不到3度。如果我們要計(jì)算每個光子的均方根能量，大約是0.00023電子伏，一個很小很小的數(shù)字。

正是這些微弱的微波輻射創(chuàng)造了宇宙的速度極限！

高能帶電粒子穿過微波輻射時有機(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產(chǎn)生一個新的粒子!

粒子不能免費(fèi)獲得能量；它必須來自創(chuàng)造它的系統(tǒng)！高能粒子在能量值10^17ev開始，就會在碰撞中產(chǎn)生正負(fù)電子對，但這是一個能量損失非常低效的過程，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產(chǎn)生最輕的強(qiáng)相互作用粒子中性π介子，每一個π介子會損耗135Mev的能量。

有一個能量閾值稱為GZK極限值，高于5×10^19 eV的高能粒子與微波發(fā)射發(fā)生作用就會發(fā)射中性π介子，直到低于這個能量閾值！(如果高能粒子有更高的能量，就會產(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)為在地球上觀測到的宇宙射線中的粒子能量超過了這個閾值，這意味著觀測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，能量還沒來得及損耗到極限值以下，要么就是我們對相對論的理解有問題(幾乎不可能)。還有另外一個被大多數(shù)科學(xué)家接受的可能性，那就是我們測量這些前所未有的高能量粒子存在一些問題。

目前觀測宇宙高能粒子的兩個最先進(jìn)的天文臺/實(shí)驗(yàn)，皮埃爾·奧格天文臺和高分辨率復(fù)眼實(shí)驗(yàn)，并沒有發(fā)現(xiàn)超過5×10^19 eV的宇宙射線。當(dāng)一個質(zhì)子以GZK極限運(yùn)動時，你知道這個極限能量對質(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，或者我們換個角度看看，如果一個擁有GZK極限能量的質(zhì)子和一個光子比賽，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)子和一個光子一路飛向距我們254萬光年的仙女座星系，然后再飛回來，這個旅程將需要將近500萬年，質(zhì)子可能會遲到大約13秒。

我們所知道的每一個帶電粒子、每一束宇宙射線、每一個質(zhì)子、每一個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)我們夢想著在宇宙中超光速旅行時，這個想法真的很危險！因?yàn)閬碜杂钪娲蟊ǖ奈⒉ㄝ椛鋾⒓磁c我們發(fā)生相互作用，損耗能量的同時順便也會把我們烤焦!

這就是宇宙限制所有物質(zhì)速度的原因！