为什么我们的宇宙存在着光速限制?不限制不行吗?
如果想从物理层面进行解释,那我还是要从狭义相对论入手。因为从物理角度看,速度上限是光速这件事,实际上是狭相(狭义相对论)的结论之一。
稍懂一点相对论的都知道,整个狭相的理论框架建立在两条基本假设之上:1. 光速在任何惯性参考系中保持不变。2. 任何惯性参考系中物理定律都相同。(可能表述不够严谨,但意思是对的) 爱因斯坦从这两条基本假设出发,通过严格的数学和物理推导得到诸多结论,其中就包括著名的质能公式 E=mc^2,同时还有钟慢尺缩、物体的运动质量大于静止质量等一系列颠覆牛顿力学的结论。
这些公式告诉我们,一个运动速度物体趋近于光速的物体,其质量趋近无穷大,而在现实世界里一个质量无穷大的物体并不可能存在,这也就决定了有质量(静止质量)的物体的运动速度必须小于光速。(或者也可以理解为,如果想把一个物体加速到光速,它的质量会趋近于无穷,需要的能量也趋近于无穷,而你没有无穷的能量把它加速到光速。)
总之你就能看到,真空光速为速度上限,实际上是狭相的结论。所以,如果你想问为什么这个结论是对的,也就是要问为什么狭义相对论是对的。鉴于狭相的理论体系全部构建在两条基本假设上,那你也就是要问为什么狭义相对论的两条基本假设是对的。
所以为什么两条基本假设是对的?通常我们理解为,这两条基本假设是前人通过大量的实验和分析总结出来的基本规律。这就有点像数学中的公理一样,没有人知道为什么对,也没人能证明,只能通过实验去验证。但我觉得题主并不能信服这个说法,所以我试着用我自己的理解去解释这两条基本假设。
先来看第二条:任何惯性参考系中物理定律都相同。关于这一点我真的没有太多别的理解,因为它就是一条公理,没办法证明,也说不出所以然,只能默认它是对的(而且这条基本假设也非常符合人类的经典认知)。
但是根据我自己的理解,基于这条假设,可以从逻辑上(注意是逻辑上,不是数学和物理上)推导出第一条假设:光速在任何惯性参考系中保持不变。你大概会觉得我在扯淡,实际上不妨想想:真空光速是如何计算得到的?是通过麦克斯韦方程组计算出来的(具体计算过程我不写了,基本上任何一本电磁学的书里都有),真空光速表达式为
,其中
和
分别为真空介电常数和真空磁导率。所以能够看出,真空光速的大小实际上是由两个物理常数决定的。而根据第二条基本假设:任何惯性参考系中物理定律都相同,那么在任何惯性系中物理常数应该也是不会改变的,就像引力常数G、普朗克常量h、玻尔兹曼常数k等,都不应该随着惯性参考系改变而改变。这样看来,任何惯性系中光速都不变这回事,也就显而易见了。
分析到这里,速度上限为光速这件事似乎顺理成章。我们的思路基本上就是:狭相的两条基本假设是对的 → 狭相是对的 → 狭相的结论也是对的 → 速度上限为光速是狭相的结论,所以就是对的。
怎么样,觉得逻辑性强吗?
其实还可以从另一个角度理解:根据狭相的结论,如果某个运动物体超过了光速,那么必然会在某个参考系下发生因果律的破坏。举个例子:我开了一枪,靶子上被打出一个孔。开枪是“因”,靶上出现孔是“果”。
如果子弹没有超过光速,那么不管你在什么惯性系中观察,“因”永远发生在“果”之前。但如果子弹超越了光速,你就会发现在某个惯性系中,靶上先出现了一个孔,然后我才开枪。这就违反了因果律。这也就是为什么说超过光速会回到过去,因为你把“因”和“果”颠倒了。为了避免出现因果律破坏,宇宙只能把光速“设定”为速度上限。
当然如果你不想听这么不触及宇宙本质的解释,那大概就要上升到哲学去了。为什么光速如此特别?为什么宇宙速度上限就恰好是这个数?那大概只有上帝知道。
也许整个宇宙就是上帝的一台超级计算机,光速可能只是计算机的运行功率有限,量子效应可能也只是因为计算机分辨率有限。说不定哪天上帝玩腻了,就把计算机关掉了。
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