自然界的速度極限是什么？物理學(xué)定律告訴我們，宇宙中的終極速度極限是光速。正如愛因斯坦最先意識到的那樣，當(dāng)你觀察一束光線時，無論它的傳播方向是朝向你還是遠離你，你看到的運動速度都是一樣的。而且，無論你以多快的速度移動，或者朝哪個方向移動，所有的光都會以相同的速度運動。這對任何時間的任何觀察者都一樣。

此外，任何由物質(zhì)構(gòu)成的物體都只能接近但永遠達不到光速。如果沒有質(zhì)量，物體必須以光速運動；如果有質(zhì)量，物體就永遠無法達到光速。

但事實上，在我們的宇宙中，存在一個對物質(zhì)速度更加嚴(yán)格的限制，這個速度極限低于光速。下面，我們講一講關(guān)于宇宙速度極限的科學(xué)故事。

○ 所有無質(zhì)量的粒子都以光速傳播的，包括傳遞電磁相互作用的光子、傳遞強相互作用的膠子、傳遞引力相互作用的引力波。有質(zhì)量的粒子總是以低于光速的速度運動，而且，在我們的宇宙中，存在一個更加嚴(yán)格的界限。| 圖片來源：NASA/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET

當(dāng)科學(xué)家談?wù)摗肮馑佟睍r，實際上是在暗指“真空中的光速”——299,792,458米/秒，這一終極宇宙速度只有在沒有粒子、沒有場、也沒有傳播的介質(zhì)時才能達到。

即使是在如此嚴(yán)苛的條件下，這一速度也只有完全沒有質(zhì)量的粒子和波才能實現(xiàn)，這其中包括光子、膠子和引力波，而一切我們所熟知的其他事物都不包括在內(nèi)。

無論是夸克、輕子、中微子，還是假想的暗物質(zhì)，都具有質(zhì)量這一固有屬性。由這些粒子構(gòu)成的物體，從極小的質(zhì)子、原子到“龐大”的人類，都有質(zhì)量。因此，這些物體可以接近、但永遠無法達到真空中的光速。無論給它們注入多少能量，即使是在真空中，它們也永遠無法達到光速。

事實上，根本不存在所謂的完美真空。即使是在星際空間的最深處，仍然存在三種絕對無法擺脫的物質(zhì)。

• WHIM：溫?zé)嵝窍惦H介質(zhì)。這種稀薄的等離子體是宇宙網(wǎng)的殘余。當(dāng)物質(zhì)聚集成恒星、星系和更大的群體時，其中一小部分物質(zhì)仍然留存在宇宙的巨大空洞中。星光使其電離，隨之產(chǎn)生的等離子體可能占宇宙中普通物質(zhì)總量的50%左右。

• CMB：宇宙微波背景。宇宙大爆炸之后遺留的光子，在宇宙早期具有極高的能量，即便在今天，它的溫度降低到絕對零度以上2.7度，在每立方厘米的空間內(nèi)仍然有超過400個來自宇宙微波背景輻射的光子。

• CNB：宇宙中微子背景。除了光子，大爆炸還產(chǎn)生了大量的中微子。中微子的數(shù)量可能是質(zhì)子的10億倍之多，這些如今緩慢運行的粒子有許多會墜入星系和星團，但是仍然有許多留存在星際空間。

○ 宇宙大爆炸留下的余輝——CMB輻射會滲透到整個宇宙。當(dāng)一個粒子在空間運動時，會經(jīng)常受到來自宇宙微波背景輻射的光子的轟擊。如果能量條件正確，即使像這樣的低能量光子的碰撞也可能產(chǎn)生新粒子。| 圖片來源：ESA/PLANCK COLLABORATION

任何在宇宙中穿行的粒子都會遇到來自WHIM的粒子，來自CMB的光子，以及來自CNB的中微子。

盡管來自CMB的光子是其中能量最低的粒子，卻也是所有粒子中數(shù)量最多、分布最均勻的。無論一個物體是如何產(chǎn)生的，或者具有多少能量，都不太可能避免與這些138億年前的輻射發(fā)生相互作用。

○ 對銀河系中心的多波段觀測顯示了恒星、氣體、輻射、黑洞，以及其他物質(zhì)。| 圖片來源：NASA/ESA/SSC/CXC/STSCI

當(dāng)我們想到宇宙中能量最高，也就是運動速度最快的粒子時，我們能預(yù)計它們是在宇宙所能提供的最極端條件下產(chǎn)生的，在這些地方能量最高、磁場最強，比如說在中子星、黑洞這類坍縮的物體附近。

在中子星和黑洞附近，不僅能找到宇宙中最強的引力場，理論上也能找到最強的電磁場。這些極強的電磁場，是由存在于中子星表面或黑洞周圍的吸積盤中的那些接近光速運動的帶電粒子所產(chǎn)生的。

運動的帶電粒子會產(chǎn)生電磁場，當(dāng)穿過這些電磁場時粒子會加速。這種加速不僅會發(fā)射出從X射線到射電波段的光，還會產(chǎn)生觀測到的最高能量的粒子——宇宙射線。

○ 在這幅藝術(shù)作品中，耀變體正在加速質(zhì)子產(chǎn)生介子，進而產(chǎn)生中微子和伽馬射線。| 圖片來源：ICECUBE/NASA 

在地球上，大型強子對撞機（LHC）最高可以將粒子加速到299,792,455米/秒——光速的99.999999%，然而，宇宙射線卻能突破這個限制。

最高能量的宇宙射線大約是LHC所能產(chǎn)生的速度最快的質(zhì)子能量的3600萬倍。假設(shè)這些宇宙射線也是由質(zhì)子構(gòu)成的，那么它的速度將是299,792,457.999999999999992米/秒，這與真空中的光速非常接近，但仍然低于光速。而當(dāng)我們接收到這些宇宙射線的時候，很有可能它們的能量還會更低。

所以，問題在于空間并不是真空。特別是當(dāng)粒子穿越宇宙時，來自CMB輻射的光子會與它們發(fā)生碰撞和相互作用。無論粒子的能量有多高，它都必須穿越大爆炸殘留的輻射才能到達地球。

即使這種輻射非常冷——平均溫度大約只有2.725K，每個光子的平均能量大約為0.00023eV——也不容忽視。雖然這是一個很小的數(shù)字，但撞擊它的宇宙射線卻具有驚人的能量。

每當(dāng)一個高能帶電粒子與光子相互作用時，它與所有相互作用的粒子都具有相同的可能性。根據(jù)E=mc2，如果能量允許，那么它就有機會產(chǎn)生一個新的粒子！

○ 只要兩個粒子以足夠高的能量碰撞，就有可能產(chǎn)生額外的粒子-反粒子對，或者量子物理學(xué)定律允許的新粒子。| 圖片來源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

如果產(chǎn)生一個能量超過5×10¹⁹eV的粒子，它最多傳播幾百萬光年的距離，就會與宇宙大爆炸遺留下來的其中一個光子發(fā)生相互作用。如果出現(xiàn)了這種相互作用，就會有足夠的能量產(chǎn)生一個中性的π介子，也就是說，π介子是從最初的宇宙射線中竊取能量的。

宇宙射線粒子的能量越高，產(chǎn)生π介子的可能性也就越大，這個過程可以持續(xù)進行，直到射線粒子的能量低于理論上的宇宙能量極限——GZK極限。GZK是以計算出這一極限的三位物理學(xué)家Greisen、Zatsepin、Kuzmin的名字命名。

與星際介質(zhì)中任何粒子的相互作用會產(chǎn)生更多的軔致輻射（帶電粒子與原子或原子核發(fā)生碰撞時突然減速，發(fā)出電磁輻射的現(xiàn)象）。即使是較低能量的粒子也會受到影響，隨著電子-正電子對（以及其他粒子）的產(chǎn)生，輻射出能量。

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