用户名:  密码:   
网站首页即时通讯活动公告最新消息科技前沿学人动向两岸三地人在海外历届活动关于我们联系我们申请加入
栏目导航 — 美国华裔教授专家网科技动向科技前沿
关键字  范围   
 
深层解读光速为何是宇宙速度极限,若光速可以无限万物将不复存在
来源:宇宙时空 | 2022/2/11 14:42:36 | 浏览:1711 | 评论:0

光速到底有什么特别的?为什么宇宙似乎千方百计的限制光子在真空中只能以每秒30万公里运动?从任何观察者来看都是如此,同时还禁止任何东西超越这个速度?(光速并没有相对的概念,比如你以每秒5米的速度奔跑,旁观者(静止状态)观察从你身上发出的光并不是光速+你奔跑的速度,而仍旧是光速30万公里每秒)。

深层解读光速为何是宇宙速度极限,若光速可以无限万物将不复存在

答案是因为这种描述不尽正确,宇宙才不会刻意确保光速是定值,时空根本不在乎光线怎么跑,事实上宇宙限速背后或大有玄机,这个常数(光速)更精确来说其实是因果传递的速度。

因果连接的事件顺序是所有观测者一致同意的,但为什么因果传递有个最高限速呢?为什么这个速度又正好等于光速呢?

在回答这个问题之前,需要先了解物理史上最重要的两个发现。首先是1632年的伽利略时代,他在书中支持哥白尼地球非中心的想法,但是他在书中还有另一个较不知名的想法,他的“相对性原理”。当然,这不是爱因斯坦的相对论,而是其先驱。

伽利略不只断言地球和其他任何地点都不是特别的,他也认为没有什么速度是特别的。换句话说,任何实验的结果不会因为处在不同速度的惯性坐标系而有所改变。这种伽利略式的相对原理是项惊人的创见,也在不久之后被牛顿写入他的运动法则中。

深层解读光速为何是宇宙速度极限,若光速可以无限万物将不复存在

还有一个就是19世纪的一项疯狂实验,一窥电与磁的奥秘。麦克斯韦尔,科学界一代宗师,用电磁法则编制成不朽的方程式,优雅地描述了所有电磁现象。到了19世纪末,物理学界已经有了麦克斯韦尔方程式和牛顿力学,还有其他很多炫酷理论,当时有种所有物理学已经大功告成的感觉。

但在计算中却发现一些怪异之处,隐隐发出不祥之兆,其中就有两个怪异点。

第一个暗示着大自然怪异的量子性质,麦克斯韦尔方程式和神圣的伽利略相对原理似乎不一致。现在我们知道就连牛顿力学其实也隐含着光速无限的假设,这很糟糕,因为这代表着时空和物质都不存在。

深层解读光速为何是宇宙速度极限,若光速可以无限万物将不复存在

想象一只穿着溜冰鞋的小马,它的背上有只猴子在滑板上前进,假设猴子是带有电荷的(因为移动的电荷才会产生磁场),所以滑板猴子在溜冰小马上会产生磁场,这是显而易见的,我们可以用麦克斯韦尔方程式计算出磁场强度,计算中会用到我们观察猴子的速度。

但这个速度是多少?伽利略和牛顿的理论表示,猴子速度=小马溜冰速度+猴子滑板速度,但如果这只天才小马也会方程式呢?它观察猴子移动的速度只有滑板速度,所以计算出了完全不同的磁场!

那么我们与小马谁对谁错呢?

关键在于我们到底测量什么,我们不会直接测量磁场,而是磁场造成的效应,也就是测量力,小马与我们测量到的力是一致的,电场和磁场之间有一种关乎速度的转换,两者齐心协力让不同坐标系观察到一致的电磁力,也就是洛伦兹力。

这就代表电磁作用是重要的线索,引领我们探索时空和速度的关系,要怎么才能解开所有的连结呢?答案就在于某种转换过程,让麦克斯韦尔方程式在不同坐标系之间无缝接轨,这种转换才能正确代表真实世界。这种转换有点像某种数学魔法棒,只要用它指向你的时空视角或物理法则,就能转换至不同的坐标系。

伽利略转换是其中一例,根本上就是在说速度可以相加,而且时间空间与速度无关,这种观点被牛顿力学所采用,刚刚我们也用它来计算猴子的速度。但是麦克斯韦尔方程式在伽利略转换之下不可能给出一致的结果,在这种转换下无法保持不变。

低速情况下的力算出来大致正确,而高速情况下就不一样了,那么是麦克斯韦尔错了吗?

深层解读光速为何是宇宙速度极限,若光速可以无限万物将不复存在

不是的,这表示伽利略转换是错的,支柱牛顿力学的转换方法是错误的,唯一可行的方法叫做洛伦兹转换(不再详解,可以百度简单了解),它比爱因斯坦的相对论更早被提出,但是爱因斯坦发现这种转换代表时间与空间的连结,也预测了因果传递的速限,我们可以学爱因斯坦和洛伦兹用光速恒星来计算推导这个转换。

深层解读光速为何是宇宙速度极限,若光速可以无限万物将不复存在

首先假装我们不知道速度可以相加,我们不知道猴子速度是否=小马溜冰速度+猴子滑板速度。第二,没有哪个坐标系比较好,在我们的转换法则之下,物理法则和坐标系的位置,方向,速度都无关。不管小马在哪里,它滑的有多快,往哪里滑都不重要。这点是真的,想想看,地球绕着太阳转,太阳围绕银河系转,位置,方向和速度不断改变,但是我们的实验似乎不受影响。

然后要假设宇宙是个合乎常理的地方,也就是说我们可以在坐标系之间不断转换,运用同一种转换应该要能在小马和猴子之间的坐标系来去自如,只要代入不同的速度就好,也应该要能来回跳跃于多个坐标系。比如说我们想去猴子坐标系,可以先去小马的坐标系,然后转换到猴子坐标系,我们要求的只不过是基本的一致性。

最后用上述的公理加上一点点代数,得到的结果就是洛伦兹转换,只有它能满足上述的基本要求,满足宇宙的相对性,对称性和一致性,也一定能描述现实宇宙,所以宇宙速限一定存在,为什么会这样说?

这个绝对速限(简称为C)是定义洛伦兹转换的唯一参数,透过这个参数,洛伦兹转换预测了宇宙速限的存在,而伽利略转换其实就是洛伦兹转换的特殊情况,也就是当C等于无限。

但就我们之前讲到的相对性和对称性来看,C的确有可能等于无限,但基于一些与光无关的原因,我们知道它不可能是无限!

深层解读光速为何是宇宙速度极限,若光速可以无限万物将不复存在

洛伦兹转换允许麦克斯韦尔方程式在转换后的不变性,用它就能够写下一条电磁学的普世法则,在所有坐标系通用,这也进一步证明了洛伦兹转换才是对现实的正确描述,但是其中的C要用一个特定的值才管用,这个值必须是麦克斯韦尔方程式中的一些基本常数组成。如果要让电磁理论能够运作,宇宙速限必须是有限的值,就算不考虑光速也是如此。

但神奇的是,算出宇宙速限的常数组合正好描述了电磁波传递的速度,也就是光速,C的确等于光速,但它原先是因果传递的速度,它代表宇宙中的两地传递讯息的速度上限,严格来说,是任何人观察到两地传递讯息的速度上限,也因此它是任何无质量粒子的最高速限!

所以光,也就是光子,还有重力波和胶子,它们质量都是零,所以都以最高速限运动,质量其实就是运动的阻碍,没有质量就没有阻碍,所以无质量的粒子就会以最高速限运动,而质量本身和时空的存在告诉我们宇宙速限是个有限值。

爱因斯坦对于洛伦兹转换的解读带来了狭义相对论,时间膨胀,长度收缩,当然还有质能等价等(E等于MC平方)!

如果没有宇宙速限,假设C等于无限会发生什么事呢?

深层解读光速为何是宇宙速度极限,若光速可以无限万物将不复存在

物质便不会存在,因为需要无限多的能量来创造质量,一切只有无质量粒子以无限速度运动,时间膨胀和长度收缩的效应爆炸成无限大,时空本身也不复存在,没有因果,因为所有地方都能及时的互相沟通,整个宇宙就只有这里和现在。

所以这样的世界观本身就充满矛盾,而这个悖论也表明了无限的速限是不可能的,因果传递的有限速度是宇宙存在的基本条件!

相关栏目:『科技前沿
三大数学奖之阿贝尔奖揭晓:许多随机现象背后其实依然有迹可循 2024-03-26 [55]
AI向左,ISSCC向右 2024-03-26 [65]
美国十二万吨航母将亮相,耗资140亿配置75架隐身战机,45秒弹射起飞 2024-02-04 [299]
如果这个人是对的,那么所有物理学规律就都要重写 2024-03-22 [126]
6 款黑科技工具,低调使用 2024-03-22 [117]
等待8年,一度只有一人能看懂的600页“天书”数学证明,他宣称解决了当今数学界最大的难题之一 2024-03-22 [106]
超级院士团队!三天内连发Nature、Science! 2024-03-22 [102]
脑后插管玩《文明6》!马斯克Neuralink首个人类志愿者,直播意念下象棋 2024-03-21 [103]
扩散模型最新综述! 2024-03-21 [72]
脑机接口首位人类被试谈术后感受:打游戏到凌晨6点,最大缺点是需要充电 | 环球科学要闻 2024-03-21 [116]
相关栏目更多文章
最新图文:
:印裔人才在美碾压华裔:我们可以从印度教育中学到什么? :北京452万人将从北京迁至雄安(附部分央企名单) :《2019全球肿瘤趋势报告》 :阿尔茨海默病预防与干预核心讯息图解 :引力波天文台或有助搜寻暗物质粒子 :Sail Through the Mist - SoCal Innovation Forum 2019(10/5) 游天龙:《唐人街》是如何炼成的:UCLA社会学教授周敏的学术之路 :“为什么海外华人那么爱国,但是让他回国却不愿意?...“
更多最新图文
更多《即时通讯》>>
 
打印本文章
 
您的名字:
电子邮件:
留言内容:
注意: 留言内容不要超过4000字,否则会被截断。
未 审 核:  是
  
关于我们联系我们申请加入后台管理设为主页加入收藏
美国华裔教授专家网版权所有,谢绝拷贝。如欲选登或发表,请与美国华裔教授专家网联系。
Copyright © 2024 ScholarsUpdate.com. All Rights Reserved.