在探索宇宙的旅途中，當提及速度的上限，我們腦海中首先浮現(xiàn)的便是真空中的光速，其數(shù)值為 299,792,458 米 / 秒。
物理學明確指出，任何具有質量的物體，或者承載信息的物質，都無法觸及這一速度，而只能無限趨近。愛因斯坦在 20 世紀初率先洞察到這一特性，并提出了光速不變原理 —— 無論觀察者處于何種運動狀態(tài)，所觀測到的光速始終恒定。
這一理論看似違背直覺，卻得到了 1887 年邁克爾遜 - 莫雷實驗的有力驗證。至此，光速不變、不可超越逐漸成為物理學領域的基本公理。
然而，真實的宇宙遠比理論更為復雜。實際上，存在一個比光速略低的速度極限，這一限制使得人類無限接近光速的目標變得愈發(fā)遙遠。
換言之，在邁向光速的征程中，我們首先需要跨越這一障礙，而它也成為了人類探索宇宙速度極限道路上的巨大絆腳石。
在眾多粒子中，光子、膠子和引力子能夠以光速運行，其原因在于這些粒子均不具備質量。相反，夸克、電子（輕子）、中微子等粒子因具有質量，由它們構成的質子、原子乃至人類，在真空中的運動速度必然低于光速。
與此同時，無質量的粒子和波則必須在真空中以光速傳播。那么，這個比光速更低的速度極限究竟源自何處？這就需要從看似 “空無一物” 的真空說起。
長久以來，人們普遍認為宇宙真空是絕對的 “真空”，但事實并非如此簡單。即便在宇宙的深處，真空實際上也包含著多種成分：
- 低溫輻射（CMB）：即微波背景輻射，它源于宇宙大爆炸后的高溫輻射。經過 138 億年的漫長冷卻，這些光子如今已進入微波波段，溫度降至 2.7K。盡管單個光子的能量較低，但它們在宇宙空間中無處不在，每平方厘米的空間內大約存在 400 個光子。
- 中微子輻射（CNB）：同樣誕生于宇宙大爆炸時期，中微子的速度與光子極為接近。由于中微子質量極小且呈中性，不參與電磁相互作用，盡管每秒有數(shù)十億個中微子穿透我們的身體，我們卻幾乎無法察覺它們的存在。
- 星際介質：在宇宙漫長的演化過程中，大量物質通過引力作用凝聚形成恒星、星系等結構。然而，仍有大量物質殘余散布于星際空間，包括塵埃、中性原子以及被星光電離后的等離子體。
當人類試圖創(chuàng)造更高能量的粒子，或者建造無限接近光速的宇宙飛船時，這些在空間中無處不在的物質便成為了不可逾越的障礙。
其中，微波輻射中的光子對高速運動物體的影響最為顯著。這是因為光子數(shù)量眾多、分布均勻，且高速運動的帶電粒子或宇宙飛船，不可避免地會與這些光子發(fā)生相互作用。
大型強子對撞機代表了人類在粒子加速領域的最高成就，但在宇宙中，還存在著更為強大的天然加速器 —— 中子星和黑洞。
這兩種天體不僅擁有極其強大的引力場，其磁場強度更是人類實驗室所無法企及的。從中子星和黑洞中噴射出的宇宙射線，包含了人類已知能量最高、速度最快的粒子。
在大型強子對撞機中，質子的速度可達到 299,792,455 米 / 秒，相當于光速的 99.999999%。而高能宇宙射線中的質子能量，更是對撞機中質子的 3600 萬倍，速度達到 299,792,457.9999999999999992 米 / 秒，盡管已經極為接近光速，但依然未能突破這一極限。
值得注意的是，地球上接收到的宇宙射線中，質子的能量（速度）大多集中在這一數(shù)值附近，幾乎沒有超過這一速度的情況。
理論上，宇宙射線中的質子應當可以無限接近光速，其速度數(shù)值也應呈現(xiàn)連續(xù)分布。然而，實際觀測結果卻與此相悖，質子的速度似乎在某一特定數(shù)值上出現(xiàn)了 “截止”。
正如前文所述，宇宙真空并非真正的真空，宇宙射線在傳播過程中，會與微波輻射中的光子發(fā)生相互作用。盡管光子的能量較低，但宇宙射線中的質子能量極高，兩者碰撞時會依據(jù)質能公式 E = MC2 產生新的粒子，這一過程會消耗質子的能量，進而降低其速度。
宇宙射線中質子的這一極限速度，對應著一個極限能量值 ——5 × 101?eV。當質子的能量超過這一數(shù)值時，在其飛行過程中，會持續(xù)與光子碰撞并產生 π 介子，直至質子的能量降至這一極限值以下。這一能量極限被稱為 GZK 極限，得名于三位相關物理學家名字的首字母。
GZK 理論不僅解釋了宇宙射線中粒子速度出現(xiàn) “截止” 的現(xiàn)象，也確定了粒子所能攜帶能量的上限。
目前，科學界普遍認為，宇宙中的每一條宇宙射線、每一個質子、每一個原子核，乃至宏觀世界的所有物體，都必須遵循 GZK 極限。
這意味著，存在一個比光速更低的速度極限，阻礙著我們無限接近光速。例如，即便未來人類在大型強子對撞機中創(chuàng)造出能量超過 5 × 101?eV 的質子，其速度一旦超過 299,792,457.9999999999999992 米 / 秒，也將迅速損失能量，降至這一速度極限以下。
同樣，如果我們建造出速度極快的宇宙飛船，在飛行過程中，飛船也會與微波輻射中的光子相互作用，甚至可能因能量損耗而被燒毀。
綜上所述，穿越宇宙的所有帶電粒子，以及我們所能感知的一切物質，都面臨著一個速度限制，這一限制并非光速，而是一個略低于光速的特定數(shù)值。
造成這一現(xiàn)象的主要原因，正是宇宙大爆炸所產生的微波輻射。不過，隨著宇宙的持續(xù)膨脹，微波輻射中的光子將不斷冷卻，由此產生的速度極限也將逐步上升，緩慢趨近光速。但需要明確的是，微波輻射中的光子不會完全消失，它們將始終存在，持續(xù)阻礙人類邁向光速的探索之旅 。
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