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為什么我們的宇宙存在著光速限制?不限制不行嗎?

如果想從物理層面進行解釋,那我還是要從狹義相對論入手。因為從物理角度看,速度上限是光速這件事,實際上是狹相(狹義相對論)的結(jié)論之一。

稍懂一點相對論的都知道,整個狹相的理論框架建立在兩條基本假設(shè)之上:1. 光速在任何慣性參考系中保持不變。2. 任何慣性參考系中物理定律都相同。(可能表述不夠嚴(yán)謹(jǐn),但意思是對的) 愛因斯坦從這兩條基本假設(shè)出發(fā),通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)和物理推導(dǎo)得到諸多結(jié)論,其中就包括著名的質(zhì)能公式 E=mc^2,同時還有鐘慢尺縮、物體的運動質(zhì)量大于靜止質(zhì)量等一系列顛覆牛頓力學(xué)的結(jié)論。

這些公式告訴我們,一個運動速度物體趨近于光速的物體,其質(zhì)量趨近無窮大,而在現(xiàn)實世界里一個質(zhì)量無窮大的物體并不可能存在,這也就決定了有質(zhì)量(靜止質(zhì)量)的物體的運動速度必須小于光速。(或者也可以理解為,如果想把一個物體加速到光速,它的質(zhì)量會趨近于無窮,需要的能量也趨近于無窮,而你沒有無窮的能量把它加速到光速。

總之你就能看到,真空光速為速度上限,實際上是狹相的結(jié)論。所以,如果你想問為什么這個結(jié)論是對的,也就是要問為什么狹義相對論是對的。鑒于狹相的理論體系全部構(gòu)建在兩條基本假設(shè)上,那你也就是要問為什么狹義相對論的兩條基本假設(shè)是對的。

所以為什么兩條基本假設(shè)是對的?通常我們理解為,這兩條基本假設(shè)是前人通過大量的實驗和分析總結(jié)出來的基本規(guī)律。這就有點像數(shù)學(xué)中的公理一樣,沒有人知道為什么對,也沒人能證明,只能通過實驗去驗證。但我覺得題主并不能信服這個說法,所以我試著用我自己的理解去解釋這兩條基本假設(shè)。

先來看第二條:任何慣性參考系中物理定律都相同。關(guān)于這一點我真的沒有太多別的理解,因為它就是一條公理,沒辦法證明,也說不出所以然,只能默認(rèn)它是對的(而且這條基本假設(shè)也非常符合人類的經(jīng)典認(rèn)知)。

但是根據(jù)我自己的理解,基于這條假設(shè),可以從邏輯上(注意是邏輯上,不是數(shù)學(xué)和物理上)推導(dǎo)出第一條假設(shè):光速在任何慣性參考系中保持不變。你大概會覺得我在扯淡,實際上不妨想想:真空光速是如何計算得到的?是通過麥克斯韋方程組計算出來的(具體計算過程我不寫了,基本上任何一本電磁學(xué)的書里都有),真空光速表達式為 

 ,其中 
 和 
 分別為真空介電常數(shù)和真空磁導(dǎo)率。所以能夠看出,真空光速的大小實際上是由兩個物理常數(shù)決定的。而根據(jù)第二條基本假設(shè):任何慣性參考系中物理定律都相同,那么在任何慣性系中物理常數(shù)應(yīng)該也是不會改變的,就像引力常數(shù)G、普朗克常量h、玻爾茲曼常數(shù)k等,都不應(yīng)該隨著慣性參考系改變而改變。這樣看來,任何慣性系中光速都不變這回事,也就顯而易見了。

分析到這里,速度上限為光速這件事似乎順理成章。我們的思路基本上就是:狹相的兩條基本假設(shè)是對的 → 狹相是對的 → 狹相的結(jié)論也是對的 → 速度上限為光速是狹相的結(jié)論,所以就是對的。

怎么樣,覺得邏輯性強嗎?

其實還可以從另一個角度理解:根據(jù)狹相的結(jié)論,如果某個運動物體超過了光速,那么必然會在某個參考系下發(fā)生因果律的破壞。舉個例子:我開了一槍,靶子上被打出一個孔。開槍是“因”,靶上出現(xiàn)孔是“果”。

如果子彈沒有超過光速,那么不管你在什么慣性系中觀察,“因”永遠發(fā)生在“果”之前。但如果子彈超越了光速,你就會發(fā)現(xiàn)在某個慣性系中,靶上先出現(xiàn)了一個孔,然后我才開槍。這就違反了因果律。這也就是為什么說超過光速會回到過去,因為你把“因”和“果”顛倒了。為了避免出現(xiàn)因果律破壞,宇宙只能把光速“設(shè)定”為速度上限。

當(dāng)然如果你不想聽這么不觸及宇宙本質(zhì)的解釋,那大概就要上升到哲學(xué)去了。為什么光速如此特別?為什么宇宙速度上限就恰好是這個數(shù)?那大概只有上帝知道。

也許整個宇宙就是上帝的一臺超級計算機,光速可能只是計算機的運行功率有限,量子效應(yīng)可能也只是因為計算機分辨率有限。說不定哪天上帝玩膩了,就把計算機關(guān)掉了。

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