一个无限向下掉落的物体,最终会被加速到超越光速吗?
2025-02-13 14:05:52 阅客
2011年,欧洲核子研究中心(CERN)的一组科学家在实验中发现,一束中微子在飞行732公里后,到达探测器的时间比光在真空中的传播时间快了60纳秒。这意味着,这些中微子似乎超越了光速。
这一实验数据公布后,迅速在科学界引发轰动。原因在于,相对论认为任何具有静止质量的物体都无法被加速至光速,而中微子是有静止质量的。如果这一结果被证实,将动摇相对论的根基,甚至可能重塑现代物理学。
然而,后续研究表明,此次“中微子超光速”事件实则是由于设备故障导致的误差。但这一事件暴露了相对论的一个潜在问题——如果未来发现某种静止质量物体能够超越光速,或在理论上自洽地解释超光速运动,相对论将受到严峻挑战。
正因如此,科学家们提出了各种思想实验,希望从理论上探究相对论的极限。例如,有人设想:如果一个物体不断向下自由落体,它最终是否会超越光速?
这一假设的逻辑大致如下:以地球为例,处于地球引力场中的物体做自由落体运动时,其速度会在重力加速度的作用下持续增加。如果这一过程无限延续,物体的速度是否最终会突破光速?
从理论上看,如果重力加速度始终保持不变,那么物体确实可能被无限加速至超光速。但实际上,地球的重力加速度并非恒定数值。
重力加速度可由公式“g = GM/r2”计算,其中G为引力常数,M为地球质量,r为物体与地球质心的距离。该公式表明,重力加速度与距离平方成反比,即物体距离地球质心越远,所受重力加速度越小。
例如,在地球表面,重力加速度约为g。当物体距离地心的距离为两倍地球半径时,重力加速度降为1/4g;若距离增加至4倍、8倍地球半径,相应的重力加速度则降至1/16g、1/64g……由此可见,随着距离的增加,重力加速度将指数级衰减。
如果一个物体从无限远处开始向地球自由落体,它所受的重力加速度接近于零。也就是说,即便它不断下落,其最终速度仍是有限的。那么这个速度具体是多少呢?可以通过“逃逸速度”来分析。
“逃逸速度”指的是物体摆脱天体引力束缚所需的最低速度。换句话说,如果一个物体以某天体的逃逸速度出发,它可以在无外力作用下远离该天体,直到无限远处。
反过来看,若一个初速度为零的物体从无限远处向某个天体自由落体,其最终速度不会超过该天体的“逃逸速度”。
地球表面的逃逸速度,也就是第二宇宙速度,约为11.2公里/秒。因此,即便一个物体从无限远处向地球下落,其极限速度最多为11.2公里/秒,远远达不到光速。
不过,这仅是一种推测,实际情况如何,我们尚不清楚。事实上,黑洞“事件视界”内的物理规律已超出当前科学的认知范围。因此,即使理论上可以设想黑洞内部存在超光速运动,也不会对相对论构成实质性威胁。