为什么我们的宇宙存在着光速限制？不限制不行吗？

发布者：兰影残月 2023-5-20 16:44

如果想从物理层面进行解释，那我还是要从狭义相对论入手。因为从物理角度看，速度上限是光速这件事，实际上是狭相（狭义相对论）的结论之一。

稍懂一点相对论的都知道，整个狭相的理论框架建立在两条基本假设之上：1. 光速在任何惯性参考系中保持不变。2. 任何惯性参考系中物理定律都相同。（可能表述不够严谨，但意思是对的）爱因斯坦从这两条基本假设出发，通过严格的数学和物理推导得到诸多结论，其中就包括著名的质能公式 E=mc^2，同时还有钟慢尺缩、物体的运动质量大于静止质量等一系列颠覆牛顿力学的结论。

这些公式告诉我们，一个运动速度物体趋近于光速的物体，其质量趋近无穷大，而在现实世界里一个质量无穷大的物体并不可能存在，这也就决定了有质量（静止质量）的物体的运动速度必须小于光速。（或者也可以理解为，如果想把一个物体加速到光速，它的质量会趋近于无穷，需要的能量也趋近于无穷，而你没有无穷的能量把它加速到光速。）

总之你就能看到，真空光速为速度上限，实际上是狭相的结论。所以，如果你想问为什么这个结论是对的，也就是要问为什么狭义相对论是对的。鉴于狭相的理论体系全部构建在两条基本假设上，那你也就是要问为什么狭义相对论的两条基本假设是对的。

所以为什么两条基本假设是对的？通常我们理解为，这两条基本假设是前人通过大量的实验和分析总结出来的基本规律。这就有点像数学中的公理一样，没有人知道为什么对，也没人能证明，只能通过实验去验证。但我觉得题主并不能信服这个说法，所以我试着用我自己的理解去解释这两条基本假设。

先来看第二条：任何惯性参考系中物理定律都相同。关于这一点我真的没有太多别的理解，因为它就是一条公理，没办法证明，也说不出所以然，只能默认它是对的（而且这条基本假设也非常符合人类的经典认知）。

但是根据我自己的理解，基于这条假设，可以从逻辑上（注意是逻辑上，不是数学和物理上）推导出第一条假设：光速在任何惯性参考系中保持不变。你大概会觉得我在扯淡，实际上不妨想想：真空光速是如何计算得到的？是通过麦克斯韦方程组计算出来的（具体计算过程我不写了，基本上任何一本电磁学的书里都有），真空光速表达式为

，其中

和

分别为真空介电常数和真空磁导率。所以能够看出，真空光速的大小实际上是由两个物理常数决定的。而根据第二条基本假设：任何惯性参考系中物理定律都相同，那么在任何惯性系中物理常数应该也是不会改变的，就像引力常数G、普朗克常量h、玻尔兹曼常数k等，都不应该随着惯性参考系改变而改变。这样看来，任何惯性系中光速都不变这回事，也就显而易见了。

分析到这里，速度上限为光速这件事似乎顺理成章。我们的思路基本上就是：狭相的两条基本假设是对的 → 狭相是对的 → 狭相的结论也是对的 → 速度上限为光速是狭相的结论，所以就是对的。

怎么样，觉得逻辑性强吗？

其实还可以从另一个角度理解：根据狭相的结论，如果某个运动物体超过了光速，那么必然会在某个参考系下发生因果律的破坏。举个例子：我开了一枪，靶子上被打出一个孔。开枪是“因”，靶上出现孔是“果”。

如果子弹没有超过光速，那么不管你在什么惯性系中观察，“因”永远发生在“果”之前。但如果子弹超越了光速，你就会发现在某个惯性系中，靶上先出现了一个孔，然后我才开枪。这就违反了因果律。这也就是为什么说超过光速会回到过去，因为你把“因”和“果”颠倒了。为了避免出现因果律破坏，宇宙只能把光速“设定”为速度上限。

当然如果你不想听这么不触及宇宙本质的解释，那大概就要上升到哲学去了。为什么光速如此特别？为什么宇宙速度上限就恰好是这个数？那大概只有上帝知道。

也许整个宇宙就是上帝的一台超级计算机，光速可能只是计算机的运行功率有限，量子效应可能也只是因为计算机分辨率有限。说不定哪天上帝玩腻了，就把计算机关掉了。

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