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宇宙為什麽要限制光速,難道不限制不行嗎?

2024-09-29科學

若要從物理學的層面闡述,我想還得從愛因斯坦的狹義相對論著手。在物理學領域中,我們之所以說光速是速度的極限,這正是狹義相對論的核心觀點之一。

稍微對相對論有些了解的人應該都知道,整個狹義相對論的架構基於兩個基本公設:1. 光在真空中的傳播速度對於所有的慣性參照系而言都是恒定的。2. 在任何慣性參照系中,物理定律的表現形式相同。愛因斯坦正是基於這兩個基本公設,透過嚴謹的數學運算與物理學推理,得出了眾多驚人的結論。這其中包括著名的質能方程式 E=mc平方,同時,他還揭示了時間膨脹、長度收縮,以及運動物體的質素大於其靜止質素等諸多與牛頓力學相悖的結論。

這些數學公式向我們闡明,一個物體在速度逐漸接近光速的過程中,其質素會趨於無窮大,而在現實世界中,一個質素無窮大的物體顯然是不存在的。這也表明了,任何具有靜止質素的物體,其速度都不可能超越光速。(或者可以這樣理解,要將一個物體加速到光速,所需的質素將趨於無窮大,所需的能量也是如此,而你無法提供無窮的能量去實作這一加速。)

綜上所述,我們可以清楚地看到,光速作為速度上限,是狹義相對論的直接推論。因此,如果你想探究為什麽這個推論成立,那就意味著你實際上想問為什麽狹義相對論是正確的。鑒於整個狹義相對論的理論體系是基於上述兩個基本公設,你的問題也就轉化為了:為什麽這兩個基本公設是正確的?

那麽,這兩個基本公設為何是正確的?通常,我們將它們視為物理學的公理,是透過大量實驗和研究總結得出的基本規律。正如數學中的公理一樣,它們無需證明,只能透過實驗驗證。但我認為,這樣的回答可能並不能令你滿意。因此,我試圖用自己的理解來解釋這兩個基本公設。

首先,來看第二個公設:在所有的慣性參照系中,物理定律的表現形式相同。我承認,對於這一點,我沒有更多的額外理解,因為它就像一條公理,無法證明,也說不出更深層次的原因,我們只能預設它成立(實際上,這個公設與人類傳統的科學認知非常契合)。然而,基於這個公設,我試圖從邏輯上(註意,僅僅是邏輯上,而不是數學或物理學上)推匯出第一個公設:光速在所有的慣性參照系中都是恒定的。你可能會認為我在胡言亂語,但實際上,我們不妨思考一下:真空中的光速是如何得出的?它是透過麥克斯韋方程式組計算得到的(具體的計算過程我這裏不贅述,在任何一本電磁學的教材中都有),其數學運算式為:

可以看出,真空中的光速實際上是由兩個基本的物理常數決定的。基於第二個公設——所有的慣性參照系中物理定律的表現形式相同,那麽在所有的慣性參照系中,物理常數應該保持不變,就像重力常數G、普朗克常數h、波茲曼常數k等一樣。在這種情況下,光速在所有慣性參照系中保持不變,便是順理成章的事。

經過這一系列的分析,光速作為速度上限似乎成了一個自然的結論。我們的論證過程大體上是這樣的:首先,我們假設狹義相對論的兩個基本公設是正確的。接著,我們推匯出狹義相對論本身是正確的。然後,我們得知狹義相對論的所有結論都是正確的。由於速度上限為光速是狹義相對論的一個推論,因此,這個結論也是正確的。

你認為這個論證有說服力嗎?

實際上,我們還可以從另一個角度去理解:根據狹義相對論的結論,如果某個物體的速度超過了光速,那麽在某個參照系中,因果關系將會被破壞。舉個例子:我射擊了一次,靶子上留下了一個彈孔。射擊是「因」,彈孔的出現是「果」。如果子彈的速度沒有超過光速,那麽無論你在哪個慣性參照系中觀察,「因」總是先於「果」發生。但是,如果子彈的速度超過了光速,你就會發現在某個參照系中,靶子先出現了彈孔,而我才開槍。這就違背了因果關系。這也就是為什麽我們會說,超過光速會回到過去,因為「因」和「果」的順序被顛倒了。為了防止因果關系的破壞,宇宙只能將光速設為速度的上限。

當然,如果你不想聽這個未觸及宇宙本質的解釋,那可能需要探討到哲學的層面了。為什麽光速如此特別?為什麽宇宙的速度上限恰好是這個數值?那可能只有造物主才知道。也許整個宇宙就是造物主的一個超級電腦,光速可能只是由於電腦的功率限制,而量子效應可能僅僅是由於電腦的分辨率限制。或許有一天,造物主厭倦了,就會關掉這台電腦。

我們又怎能知曉呢?