宇宙為何設限光速?無限可能的後果揭秘
更新于:2025-03-27 18:24:23

從物理學的角度來解釋,我認為需要從愛因斯坦的狹義相對論開始講起。在物理學中,我們認為光速是速度的極限,這是狹義相對論的一個核心觀點。

稍微了解相對論的人都知道,狹義相對論建立在兩個基本假設上:1. 光在真空中的傳播速度對所有慣性參照系都是恆定的。2. 所有慣性參照系中,物理定律的形式都相同。愛因斯坦基於這兩個假設,通過嚴謹的數學和物理推理,得出了許多令人驚訝的結論。其中包括著名的質能方程E=mc²,他還揭示了時間膨脹、長度收縮,以及運動物體的品質大於靜止品質等與牛頓力學相悖的結論。

這些公式表明,一個物體的速度越接近光速,其質量會趨向無窮大,而現實世界中不存在質量無窮大的物體。這也意味著任何有靜止品質的物體,其速度都無法超過光速。換句話說,將一個物體加速到光速所需的能量和質量都會趨於無窮大,而我們無法提供這種無窮的能量來實現這一加速。

綜上所述,光速作為速度上限是狹義相對論的直接推論。因此,如果你想知道為什麼這個推論成立,實際上你是在問為什麼狹義相對論是正確的。由於整個狹義相對論的理論體系基於上述兩個基本假設,你的問題可以轉化為:為什麼這兩個基本假設是正確的?

那麼,為什麼這兩個基本假設是正確的呢?通常我們將它們視為物理學的公理,是通過大量實驗和研究所總結出的基本規律。如同數學中的公理,它們無需證明,只能通過實驗驗證。但這樣的回答可能不足以讓你滿意。所以,我試圖用自己的理解來解釋這兩個基本假設。

首先,來看第二個假設:在所有慣性參照系中,物理定律的形式相同。我承認對於這一點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,這個假設與人類傳統的科學認知非常契合)。然而,基於這個假設,我從邏輯上推匯出第一個假設:光速在所有慣性參照系中都是恆定的。你可能會認為我在胡說八道,但實際上,我們可以思考一下:真空中的光速是如何得出的?它是通過麥克斯韋方程組計算得到的(具體的計算過程不贅述),其數學表達式為:

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。基於第二個假設——所有慣性參照系中物理定律的形式相同,那麼在所有慣性參照系中,物理常數應該保持不變,就像引力常數G、普朗克常數h、玻爾茲曼常數k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。我們的論證過程大致如下:首先假設狹義相對論的兩個基本假設是正確的。接著,我們推導出狹義相對論本身是正確的。然後,我們知道狹義相對論的所有結論都是正確的。因為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。

你覺得這個論證有說服力嗎?

實際上,我們還可以從另一個角度理解:根據狹義相對論的結論,如果某個物體的速度超過了光速,那麼在某個參照系中,因果關係將會被破壞。例如: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,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。這就違背了因果關係。這也是為什麼我們會說,超過光速會回到過去,因為“因”和“果”的順序被顛倒了。為了防止因果關係的破壞,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層面了。為什麼光速如此特別?為什麼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計算機,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計算機的解析度限制。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?