จากมุมมองของฟิสิกส์ฉันคิดว่าเราต้องเริ่มต้นด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ ในวิชาฟิสิกส์เราถือว่าความเร็วแสงเป็นขีด จํากัด ของความเร็วซึ่งเป็นแนวคิดหลักของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

ใครก็ตามที่รู้เล็กน้อยเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพจะรู้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษนั้นขึ้นอยู่กับสมมติฐานพื้นฐานสองประการ: 2 ความเร็วในการแพร่กระจายของแสงในสุญญากาศจะคงที่สําหรับกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด 0. กฎของฟิสิกส์มีรูปแบบเดียวกันในกรอบอ้างอิงแบบเฉื่อยทั้งหมด จากสมมติฐานทั้งสองนี้ ไอน์สไตน์ได้ข้อสรุปที่น่าประหลาดใจมากมายผ่านการให้เหตุผลทางคณิตศาสตร์และทางกายภาพอย่างเข้มงวด ซึ่งรวมถึงสมการมวล-พลังงานที่มีชื่อเสียง E=mc² ซึ่งยังเผยให้เห็นผลที่ตามมาของกลศาสตร์นิวตัน เช่น การขยายเวลา การหดตัวของความยาว และความจริงที่ว่ามวลของวัตถุที่เคลื่อนที่มากกว่ามวลที่หยุดนิ่ง

สูตรเหล่านี้แสดงให้เห็นว่ายิ่งความเร็วของวัตถุอยู่ใกล้กับความเร็วแสงมากเท่าใดมวลของวัตถุก็มีแนวโน้มที่จะไม่มีอนันต์ในขณะที่ไม่มีวัตถุที่มีมวลอนันต์ในโลกแห่งความเป็นจริง นอกจากนี้ยังหมายความว่าวัตถุใด ๆ ที่มีมวลหยุดนิ่งไม่สามารถเดินทางได้เร็วกว่าความเร็วแสง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ทั้งพลังงานและมวลที่จําเป็นในการเร่งวัตถุให้มีความเร็วแสงมีแนวโน้มที่ไม่มีที่สิ้นสุด และเราไม่สามารถให้พลังงานที่ไม่มีที่สิ้นสุดนี้เพื่อให้เกิดความเร่งนี้ได้

โดยสรุป ความเร็วแสงเป็นขีดจํากัดบนของความเร็วเป็นผลพวงโดยตรงของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ดังนั้นหากคุณสงสัยว่าเหตุใดการอนุมานนี้จึงถือได้คุณกําลังถามว่าเหตุใดทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษจึงถูกต้อง เนื่องจากระบบทฤษฎีทั้งหมดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษขึ้นอยู่กับสมมติฐานพื้นฐานสองประการข้างต้นคําถามของคุณสามารถเปลี่ยนเป็น: เหตุใดสมมติฐานพื้นฐานทั้งสองนี้จึงถูกต้อง

เหตุใดสมมติฐานพื้นฐานสองข้อนี้จึงเป็นจริง? เรามักจะคิดว่ามันเป็นสัจพจน์ของฟิสิกส์กฎพื้นฐานที่สรุปผ่านการทดลองและการศึกษาอย่างกว้างขวาง เช่นเดียวกับสัจพจน์ในวิชาคณิตศาสตร์ไม่จําเป็นต้องพิสูจน์สามารถตรวจสอบได้ด้วยการทดลองเท่านั้น แต่คําตอบดังกล่าวอาจไม่เพียงพอที่จะทําให้คุณพึงพอใจ ดังนั้นฉันจึงพยายามอธิบายสมมติฐานพื้นฐานสองข้อนี้ด้วยความเข้าใจของฉันเอง

ก่อนอื่นเรามาดูสมมติฐานที่สอง: ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดกฎของฟิสิกส์มีรูปแบบเดียวกัน ฉันยอมรับว่าไม่มีความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้เพราะมันเหมือนกับสัจพจน์ที่ไม่สามารถพิสูจน์ได้และไม่มีเหตุผลที่ลึกซึ้งกว่านั้นและเราสามารถสันนิษฐานได้ว่ามันเป็นความจริง (ในความเป็นจริงสมมติฐานนี้เข้ากันได้ดีกับความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์ของมนุษย์แบบดั้งเดิม) อย่างไรก็ตาม จากสมมติฐานนี้ ฉันจึงได้สมมติฐานแรกอย่างมีเหตุผล: ความเร็วของแสงคงที่ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด คุณอาจคิดว่าฉันกําลังพูดเรื่องไร้สาระ แต่ในความเป็นจริงเราสามารถคิดเกี่ยวกับเรื่องนี้ได้: ความเร็วแสงในสุญญากาศได้มาจากอะไร? คํานวณจากสมการของแม็กซ์เวลล์ (กระบวนการคํานวณเฉพาะจะไม่ทําซ้ํา) และนิพจน์ทางคณิตศาสตร์คือ:

จะเห็นได้ว่าความเร็วของแสงในสุญญากาศนั้นถูกกําหนดโดยค่าคงที่ทางกายภาพพื้นฐานสองค่า จากสมมติฐานที่สองที่ว่ากฎของฟิสิกส์มีรูปแบบเดียวกันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดจากนั้นในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดค่าคงที่ทางกายภาพควรคงที่เช่นเดียวกับค่าคงที่แรงโน้มถ่วง G ค่าคงที่ของพลังค์ h ค่าคงที่ของ Boltzmann k ในกรณีนี้ มีเหตุผลที่ความเร็วของแสงยังคงคงที่ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด

หลังจากการวิเคราะห์ชุดนี้ความเร็วแสงเป็นขีดจํากัดบนของความเร็วดูเหมือนจะเป็นข้อสรุปตามธรรมชาติ กระบวนการโต้แย้งของเราคร่าวๆ ดังนี้: ประการแรก สันนิษฐานว่าสมมติฐานพื้นฐานสองประการของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษนั้นถูกต้อง ต่อไปเราอนุมานว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษนั้นถูกต้อง จากนั้นเราก็รู้ว่าข้อสรุปทั้งหมดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษนั้นถูกต้อง เนื่องจากขีดจํากัดบนของความเร็วคือความเร็วแสงเป็นผลที่ตามมาของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

คุณพบว่าข้อโต้แย้งนี้น่าเชื่อถือหรือไม่?

ในความเป็นจริงเรายังสามารถเข้าใจได้จากอีกมุมหนึ่ง: ตามข้อสรุปของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษหากความเร็วของวัตถุเกินความเร็วแสงในกรอบอ้างอิงที่แน่นอนความสัมพันธ์เชิงสาเหตุจะพังทลาย ตัวอย่างเช่น: ฉันยิงหนึ่งครั้ง และมีรูกระสุนเหลืออยู่ในเป้าหมาย การยิงเป็น "สาเหตุ" และการปรากฏตัวของรูกระสุนคือ "ผล" หากความเร็วของกระสุนไม่เกินความเร็วแสง "สาเหตุ" จะนําหน้า "ผลกระทบ" เสมอ ไม่ว่าคุณจะสังเกตกรอบอ้างอิงเฉื่อยใด แต่ถ้าความเร็วของกระสุนเกินความเร็วแสงคุณจะเห็นว่าในกรอบอ้างอิงหนึ่งเป้าหมายจะมีรูกระสุนก่อนและฉันยิง สิ่งนี้ละเมิดเหตุและผล นั่นเป็นเหตุผลที่เราบอกว่าการวิ่งเร็วกว่าความเร็วแสงจะย้อนเวลากลับไป เพราะลําดับของ "เหตุ" และ "ผล" กลับกัน เพื่อป้องกันการหยุดชะงักของเหตุและผล จักรวาลสามารถกําหนดความเร็วแสงเป็นขีดจํากัดบนของความเร็วเท่านั้น

แน่นอนว่าหากคุณไม่ต้องการฟังคําอธิบายที่ไม่แตะต้องธรรมชาติของจักรวาลคุณอาจต้องไปที่ระดับปรัชญา ทําไมความเร็วแสงถึงพิเศษมาก? เหตุใดขีดจํากัดบนของความเร็วของเอกภพจึงเป็นค่านี้พอสมควร สิ่งนั้นอาจเป็นที่รู้จักเฉพาะพระผู้สร้างเท่านั้น บางทีจักรวาลทั้งหมดอาจเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของพระผู้สร้าง และความเร็วแสงอาจเป็นเพียงเพราะข้อจํากัดด้านพลังงานของคอมพิวเตอร์ บางทีวันหนึ่งผู้สร้างอาจเบื่อหน่ายและปิดคอมพิวเตอร์เครื่องนี้

เราจะรู้ได้อย่างไร?