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大自然为什么存在光速限制?不限制不行吗?

2024-03-23科学

有光速和光速限制的问题,不得不提爱因斯坦的狭义相对论。没办法,狭义相对论就是为光速而生的。

有些小伙伴可能就是看不惯狭义相对论:为什么你总是用狭义相对论去解释?难道狭义相对论就是真理吗?

我只能说,任何科学理论都不是真理,这是科学的本质决定的。但是我没有任何拒绝狭义相对论的理由,过去的一百多年时间里,其实科学家们一直在通过各种方式验证狭义相对论,而验证的过程说不好听点就是「质疑的过程」。

但是,你也看到了,一百多年过去了,狭义相对论仍旧屹立不倒。我又有什么理由拒绝用狭义相对论来说事呢?

从物理学角度来讲,光速限制是狭义相对论推导出来的结论之一。当然,你也可以认为光速限制是大自然或者四维时空的固有属性,只是理解方式不同罢了,其实并没有什么本质不同。

下面就从狭义相对论角度来分析,看看爱因斯坦是如何得出「光速限制」这个结论的。

最重要的一点,我们需要明白爱因斯提是如何创建狭义相对论的。简单来讲,狭义相对论是建立在两条基本假设的基础上,创建了狭义相对论的。

这两条基本假设分别是:

1.光速不变原理。光速在所有惯性参照系中都保持不变。

2.相对性原理。在所有惯性参照系中,物理定律的表现形式都不变。

狭义相对论得出的所有结论和推导出来的公式,都是基于以上两条假设得出的。甚至我们可以这么讲,狭义相对论之所以如此伟大,其实本质来讲并不是因为得出的结论很伟大,而是那两条假设很伟大。

因为,只要有了那两条假设,不用太复杂的数学计算,很多人都能推导出狭义相对论下的公式,比如说时间膨胀公式,尺缩效应公式,质增效应公式还有质能方程公式等。

你可能会问:爱因斯坦为什么会提出那两条假设?又如何保证那两条假设是对的呢?

其实这就说来话长了,之前的科普有详细讲述过,这里就长话短说。

简单讲,假设的东西没有为什么,你只需要接受或者不接受就行了,根本没有质疑的必要和意义。当然,你也可以提出自己的假设代替爱因斯坦的假设,然后在你的假设的基础上,创建自己的理论。

但前提是你的假设首先要自洽,不能自相矛盾,然后还要比爱因斯坦的假设更能解决实际矛盾和问题, 不然 大家都是假设,凭什么要接受你的假设呢?

还有,任何假设当然不是拍脑门想出来的,而是经过长时间的沉淀才得出来的。假设的东西可以不符合人们的日常生活经验,但必须经得起实验的验证。毕竟人们的日常生活经验通常都是有局限性的,但实验是不会说谎的。

就像「光速不变原理」和「相对性原理」,两者就不一样,前者并不符合人们的日常生活经验,因为光速不变认为光速与其他任何速度叠加之后仍旧是光速,这在我们看来是不可想象的,你以0.9倍光速追赶一束光,在你眼里这束光的速度仍旧是光速,是不是很难接受?

但实验证明确实如此。这时候我们就不能完全依赖人们的生活经验了,必须用实验结果来说话,结果就证明,光速的确是不变的。

而相对性原理就非常符合我们的日常生活经验,表明在所有惯性系中,物理定律都是等价的。举个例子就明白了,在一列匀速直线行驶的火车上,你的感受与待在地面上的感受是完全相同的。如果闭上双眼,假设火车不会发出任何声音,你不可能知道自己到底是在行驶的火车上,还是待在地面上。因为两者是等价的。

再直白点来说,光速不变原理和相对性原理是假设,其实也是公理。公理就不需要证明,也没有办法完全证明,只需要你接受,当然你也可以不接受。

就像「两点之间线段最短」一样,也是公理,根本不需要证明,也没有办法完全证明。但我相信每个人都会接受。

而光速不变原理之所以让很多人无法接受,主要一点是违背了我们的日常生活经验,毕竟在我们眼里任何速度都是相对的,都需要有参照系才有意义,但光速竟然是绝对的,这让人很难接受。

但正如我刚才所讲,人们的日常生活经验肯定是有局限性的,当实验结论和我们的日常生活经验发生冲突时,你认为该相信哪个?

当然是实验结果了,这是毫无疑问的。

到这里,可能你会发现我并没有说太多光速限制的问题,大部分都是关于爱因斯坦是如何创建狭义相对论的问题。

其实并没有跑题,因为只要你明白并接受了狭义相对论的诞生过程,自然就更容易接受大自然为什么要限制光速了。

有很多方式可以解释光速限制。比如说最常见的质增效应,当一个物体的速度越来越接近光速时,质量就会变得越来越大,最终达到无穷大,需要无穷多的能量才能把物体的速度加速到光速,整个宇宙的能量都做不到,显然这是不可能的。

还可以从因果律来解释光速限制,根据狭义相对论的结论,如果物体的速度超过光速,必然会在某个参照系下打破因果律,意味着「果」发生在了「因」之前,这就违背了因果律,大自然肯定要设置光速限制,避免因果律被打破。

当然你也可以从 GZK极限值限制的角度去理解光速限制。GZK极限值是宇宙中存在的一个能量限制。当粒子能量超过该极限时,就会与宇宙微波背景中的光子发生作用,导致能量衰减,而粒子由于能量不足就无法达到或超过光速。

最后,你可能还会提出更大的疑问:你以上说的所有东西都没有触及到大自然的本质,只是浮于表面,比如说「为什么会存在光速不变?」

只能说,大自然就是这样的,或者我们所在的宇宙就是这样的,至于为什么是这样的,或许只有上天才知道,那已经不是科学能解释 了。或许存在无数个其他宇宙,在有些宇宙里完全不存在光速限制,甚至最低速度都必须是光速,任何物体都必须以超光速飞行。

也可能,我们的宇宙本身就是由一台超级计算机设定的虚拟程序,所有的参数早就设定好了,而光速限制只是其中一个参数。

但无论真相是什么,其实都不是很重要,我们只需要为我们生活的世界负责,为我们的发现负责!

完。