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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:742 | 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)。

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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。

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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。

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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!

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