我們都知道,宇宙中存在光速限制,這在愛因斯坦的狹義相對論中也明確表明了這點,任何信息和任何具有靜質量的物體速度都不能超越光速。
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不過很多人關心的并不是狹義相對論中的光速限制,而是宇宙為什么要限制光速本身,光速是每秒30萬公里,為什么不是每秒31萬公里甚至更快呢?
這種問題已經不完全是科學問題了,還牽扯到哲學問題,甚至還有人擇原理。我們首先從科學層面來進行分析。
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簡單講,光速為何是每秒30萬公里而不是31萬公里或者其他數字,是麥克斯韋方程組推導出來的。
麥克斯韋統一了電磁學,創建了偉大的麥克斯韋方程組,這個方程組可以推導出光速的計算公式。
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通過這個公式,可以計算出光速的大小。光速的大小是次要的,不知道大家有沒有注意到這個公式有一個突出的特點:光速竟然沒有參照物!
這與我們的日常生活經驗完全相悖。在我們的日常生活里,任何速度都必須有參照物才有意義。比如我們通常所說的高鐵時速是300公里,這個速度就是默認地面為參照物,一般我們提到的速度都會默認地面為參照物,所以也沒必要刻意強調。
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但是,光速看起來就是這么特殊,這么“霸道”,它竟然是一個常量,這意味著不管以任何物體為參照物,代入上面的公式,得到的光速都是一樣的,都保持不變。
這就很奇怪了,舉個例子,你拿著一個手電筒奔跑,奔跑的速度為V。在你眼里,手電筒發出的光的速度是光速C,這很好理解,因為你和手電筒相對靜止。
我靜止在地面上不動,而手電筒發出的光的速度仍舊是光速C。按照我們的傳統理解,這就很不科學了,手電筒發出的光的速度應該是你奔跑的速度V加上光速才對,也就是V+C,也也是我們經常用的速度疊加,也是牛頓定律公式下的速度疊加計算方法。
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這就矛盾了。很顯然,這說明了一個事實:要么牛頓錯了,要么麥克斯韋錯了,反正兩個人肯定有一個人是錯的。
但是,當時的物理學界早就視牛頓定律為“神明”,畢竟牛頓力學統治了物理學界幾百年了,不是說推翻就推翻的。而麥克斯韋也是大人物,麥克斯韋方程組堪稱人類歷史上最偉大的方程。
怎么辦呢?兩個物理學界大佬都不能得罪,最后物理學家只能尋求中庸之道,在牛頓和愛因斯坦之間“左右逢源”。
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結果就是“以太”的概念出現了,這種物質在宇宙中無處不在,是絕對靜止的參照物,也是光的參照物。
有了以太,牛頓和麥克斯韋的矛盾終于解決了。但科學是嚴謹的,以太畢竟是假設的概念,科學的確需要假設,但更需要假設之后的證據。
于是物理學家紛紛站出來尋找以太存在的證據。結果不尋找不要緊,在尋找的過程,物理學家們很尷尬,因為他們無論如何努力都發現不了以太存在的證據,其中就包括著名的邁克爾遜莫雷實驗。
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既然找不到以太存在的證據,而以太又是假設的概念,很明顯以太根本就不存在。這個道理很簡單!
物理學家們當然明白如此簡單的道理,但如果以太真的不存在,他們就無法向牛頓和麥克斯韋交代。這種固有思維方式牢牢地束縛著物理學家們的手腳,讓他們深深地陷入到絕對時空觀中不能自拔,而無法捅破束縛他們思維的那層窗戶紙。
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這時候就該愛因斯坦登場了,愛因斯坦不是一般人物,他具有無與倫比的天才大腦,異于常人的思維方式。
優美的麥克斯韋方程組一度讓愛因斯坦無法自拔,當他注意到以太的概念不但不能解決牛頓和麥克斯韋之間的矛盾,反而還會增多更多的麻煩,愛因斯坦果斷地拋棄了以太的概念,秉承著“如無必要勿增實體”的理念,用“奧卡姆剃刀”直接把以太“咔嚓”了!
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當愛因斯坦這樣做了之后,他發現前途一片光明。沒有了以太,意味著光速絕對不變。于是基于光速不變原理和相對性原理,愛因斯坦提出了偉大的狹義相對論。
說了這么多,或許你已經感悟到了,宇宙為什么會限制光速?宇宙其實并沒有限制光速,而是我們所在的四維時空結構決定了光速的上限,因為光速只與真空的磁導率和介電常數有關。
說白了,光速就是四維時空的固有屬性,我們就生活在一個光速為每秒30萬公里的四維時空里。
如果光速不是每秒30萬公里,而是31萬公里或者其他數字,會怎么樣呢?
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那將意味著幾乎所有物理學常數和大自然法則都會徹底被顛覆,因為光速是很多大自然法則的基本常數,如果光速發生了改變,基本的大自然法則也會隨著改變。
具體表現就是,自然界四種基本作用力的大小會發生變化,像光子,電子等基本粒子就不可能性形成。沒有了那些基本粒子,就不可能有我們如今的宇宙。
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更深層的意義其實就是人擇原理,通俗理解就是,既然我們人類出現了,就必須要求光速是每秒30萬公里,否則人類就不會出現,也就不會有人來問這個問題。
理論上講,或許存在另外一個宇宙,那里的光速并不是每秒30萬公里,而是每秒40萬公里,那是怎么的世界我們不得而知,但肯定會與我們的宇宙完全不同!
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