宇宙为何要限制光速？背后的玄机又是什么？

发布者：温柔老农 2023-3-27 12:56

比如限制光速中的“光速”指的只是“光”的速度，还是指这个特定的速度值（大约30万千米/秒）？

宇宙如果只是限制了“光”的速度，并没有限制别的速度，那么按照逻辑推理，别的东西的速度显然可以超过光的速度，可以达到40万千米/秒、30亿千米/秒……。但狭义相对论的质量效应公式指出：任何静质量不为0的物体的运动速度是不可能达到光在真空中的速度大小的，即299792458米/秒。

（其中m为物体的质量，m0为物体的静质量，V为物体的运动速度，C为光速。从式中可以看出，当V→C时，分母根式→0，则m→+∞。而物体质量趋向于无穷大，会使物体运动速度难以增大到光速C，因为这需要无穷大的能量才能推动，而这是不可能的。要知道宇宙如果是有限的，那么全宇宙的能量也是有限的。因而宇宙以此来阻止物体的运动速度达到光速。

由此可见，似乎“限制光速”指的是任何东西的速度不能超过299792458米/秒这个速度值的意思，而非单指“光”的传播速度，因为尽管光在真空中一直是以299792458米/秒这个速度传播的，但在别的介质中的传播速度是小于这个值的。

但反过来讲，任何东西的速度不能超过甚至达到这个值，唯独光可以达到这个速度，并且这个速度对于光来说是不变的。

换句话说，任何东西永远追不上光，任何东西的相对速度达不到光速，即使两个物体各以大于一半光速相向运动，它们的相互速度，按照伽利略速度叠加原理明明大于光速，可实际情况却并非如此，按照狭义相对论速度叠加原理可知，它们的相互速度是小于光速的。

（当u′>C/2，Ⅴ>C/2时，u<C）

由此可见，似乎限制的仍然是“光”的速度。那到底是怎样的？

下面我们正式回答一下标题的疑问，我觉得可以换个角度来看这个问题：

应该说宇宙并没有限制光速。实际情况是，光速是宇宙时空的界限，是宇宙物质脱离以时间与空间方式存在的界限。只要达到了光速，物质就可以别的方式存在（以别的方式存在不违反任何法则）。可见是光速限制了宇宙，而不是相反。

光速（这里指的是真空中的光速，即大小为299792458米/秒）看起来虽然是个常数，但它是一个对于任何参考系的“不变常数”，这就给光速赋予了耐人寻味的涵义。因为参考系之间存在相对运动，而光速大小对于每一个参考系却都是一样的。我们知道速度（包括光的速度）就是距离（空间）和时间的比值。光速不变，即这个比值不变。这反映了时空中存在特定不变的东西，应该说光速不变就是时空性质的反映。而每一个参考系就对应着一个时空，因此光速对于任意参考系也就确定不变。

往深了理解，光速也不是宇宙的速度限制

不变的不是快慢大小，而是与时空的关系。因此严格说起来，光速也不是宇宙的速度限制。假如有一个相对地球以接近光速（比如为光速的90%）运动的物体甲，如果在这个甲物体相同运动方向上还存在一个相对于甲物体以接近光速（比如也为光速的90%）的乙物体，按照上面相对论速度叠加原理，乙物体相对于地球的速度仍然小于光速C的（根据前面的公式算出具体大小为180C/181），而不是1.8C。

这个乙物体相对地球的速度显然比甲物体相对地球的速度（0.9C）要大，虽然从数字上看大不了多少，但如果从“绝对时空观”的角度看，我们都知道乙物体的速度“大小”早“超”光速了。可是宇宙时空并不是绝对的，乙物体相对于地球的速度小于光速是真实有效的，这就是时空的相对性，这个相对性可以看作是一种限制。但另一方面，在乙物体运动方向上光的运动速度相对于乙物体来讲，仍然是光速C（当然在任何方向上，光对于乙物体都是光速C）。这个意思就是，任何物体的速度不论多快，哪怕觉得是几亿倍C了（尽管是不可能的，即使把上面所说的思想实验也算上），也永远追不上光。