https://www.zhihu.com/question/309934940/answer/838518688 为什么宇宙会将最大速度限制在光速？ 宇宙自身并没有限定光速为定值。时空根本就不在意光。宇宙时速的极限具有更深层次的含义。这个宇宙参数，更准确地说，也许就是因果关系的速度。下面的长答案将会采用PBS SpaceTime的专题《The Speed of Light is NOT About Light》的观点，为你条分缕析。视频观看地址： https://link.zhihu.com/?target=https%3A//www.youtube.com/watch%3Fv%3DmsVuCEs8Ydo%26list%3DPLsPUh22kYmNCLrXgf8e6nC_xEzxdx4nmY%26index%3D2 因果关联给出了唯一的所有观测者都能认同的时间顺序。 但为什么因果关系有一个最大速度？并且为什么这个速度等于光速？ 要理解这些，我们首先需要回顾一下物理学中两个最为重要的见解。 首先，让我们回到1632年——褶边领的潮流，普利茅斯的清教徒，还有在意大利，正为出书支持哥白尼日心说而即将受审的伽利略。 但在他的书中，还有一个不尽为人知的概念——相对性原理。这可不是爱因斯坦的相对论，不过相反地，它是后者的一个精妙的前驱（理念）。伽利略指出，不管是在地球上或是宇宙的哪个犄角旮旯里，速度都不会具有特别的形式。换言之，无论静止或者惯性参考系的速度几何，所有的实验都应该得到相同的物理结果。或者按照维基百科的说法（https://en.wikipedia.org/wiki/Principle_of_relativity）：物理定律在一切惯性参考系中都具有相同的形式，任何力学实验都不能区分静止和匀速运动的惯性参考系。 伽利略相对性原理的洞见实在是太过耀眼，以至于后来的艾萨克·牛顿爵士在他的力学体系中进行引入并编撰。接下来，快进到19世纪——大礼帽、蒸汽机车以及发现电磁定律的各种疯狂实验。大学霸詹姆斯·克拉克·麦克斯韦登场，他将前人发现的定律整理提炼到著名的麦氏方程组之后，以一种及其优雅简洁的姿态完成了对整套电磁规律的描述。 到了19世纪后半叶，这是一个黄金时代，物理学的大厦从来都没有这样金碧辉煌，令人叹为观止。 我们有雄伟壮观的牛顿力学体系，在它之上构建起的同等规模的麦氏方程组，以及其他多样的天才理论。 时人普遍有一种物理学已经尽善尽美的错觉，当然在其看似高度成熟的体系之下暗藏了某种错的离谱的数学事实——事实上，存在某两种暗示。第一条线索就是我们后来所熟知的看似荒诞不经的量子理论的萌芽，为经典物理大厦添砖加瓦的赫兹的电磁波接收实验亲手挽起了量子蝼蚁，将电磁场论所构筑的千里之堤毁于盛世。 第二条，对于本文更为重要的线索，就是麦氏方程组在金光闪烁的伽利略相对性原理上所投掷的一枚困惑。 事实上，我们现在知道即便是牛顿的力学体系，也使用了相应的前设意指光速的无限，这确实是不对的。因为，在这样的理论之下，暗示着时间、空间以及物质都不复存在。 首先，让我来解释一下麦氏方程组所引发的问题。 假设有一只踩着直排轮滑的小马，它的背上蹲着一只滑板猴子。让这字猴子带电。 为什么？额，带电粒子的移动能够产生磁场。 所以，很明显地，一只带电的滑板猴在轮滑马上产生了一个磁场。 而根据我所观测到的猴子总速度，我可以利用麦氏方程组解得磁场的强度。 但猴子的总速度是多少呢？ 伽利略和牛顿告诉我们猴子总速度等于小马踩轮滑（以下简称轮滑马）的速度加上猴子登滑板（以下简称滑板猴）的速度。 但是假如这只聪明的小马同样解出了麦氏方程组呢？ 她会发现猴子只以滑板猴的速度进行移动，而因之得到了一个完全不同的磁场。 ************ 所以，到底谁是对的呢？是我还是小马呢？ 答案的关键之石是我们测量的实际对象是什么。 我们测量的不是磁场。 我们测量的是它的效应。 我们测量的是力。 ************ 这只小马与我测量的是相同的力。这里，在电场和磁场之间有一个速度相关的交换。这两个相互作用产生了一个与参照系无关的相同的电磁或者洛伦兹力。而这个结论告诉我们电磁力掌控着时间、空间与速度三者基本相互作用的线索。我们如何才能理解这三者的关联？可以通过一种特殊的变换来解码，这种变换将会赋予麦氏方程组在各种参考系中无缝地跳跃，将会表征我们现实中的空间和时间。这种变换手法，有点像你对着时空描述或者物理法则施展的一种数学魔杖。而它可以领着你像哈利波特那样在各种参照系中来回颠簸。一个典型的例子就是伽利略变换，这种变换基本就是将相关的速度加到一起，并且告诉我们空间和时间并不依赖速度。 牛顿的力学用到它。 而我们也把它应用到麦氏方程组中获取猴子总速度的解。 但到最后你会发现你根本就没法写出在伽利略变换下结果一致的麦氏方程组。 在伽利略变换之下，结果竟然不是不变的。 在低速情形下，麦氏方程组在变换之下算是给出了正确的力值。 但得到的电场和磁场乱成一团。 而且在高速情形下——我去，还是不提了吧。所以，这说明麦克斯韦是错的吗？不是的。错的是伽利略变换。这种用来支撑牛顿力学的变换是错的。唯一有效的变换叫做洛伦兹变换。它在爱因斯坦的相对论之前就被人发现了。但确实是爱因斯坦意识到洛伦兹变换告诉了我们空间和时间是如何交联在一起，并且它也预言了因果关联的速度。 作者：土豆泥 链接：https://www.zhihu.com/question/309934940/answer/838518688 来源：知乎 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。 现在，你可以像洛伦兹和爱因斯坦那样通过预设光速为常量来推出这个变换。但现在忘记光速吧。这个变换极其的深刻以至于基于空间和时间本质的几种简单表述就能验证它的势不可挡。让我来为你们展示一下。首先，我们不会去假装我们知道速度之间是如何加和的。我们不知道猴子总速度等于轮滑马的速度加上滑板猴的速度。你为什么要去假设这么一个东西呢？接下来，不存在任何优先的或者首先的惯性参考系。在我们新的变换法则下，物理定律在各处都有相同的形式，无论位置、方向或者速度如何。它也无关小马前进的位置、速度或者方向。这必须得是普适的。试想，地球绕着太阳旋转，而太阳绕着银河系旋转，位置、方向以及速度都在大幅度地变化. 而我们的实验却好像对这些毫不在意。 最后，假设宇宙的存在是合乎情理的。 有了这些假设，我们就可以在各种参考系中一致地进行变换。 通过使用不同的速度，我应该可以运行这种相同的变换进入到猴子的参考系以及小马的参考系。 我也应该可以连贯地在多重的参考系中来回跳跃。我可以通过先进入小马的参考系然后再从小马跳跃到猴子的参考系中。然后我也可以退回自己的参考系只要在速度钱加上一个负号即可。本质上，我们只是在不同尺度的运作机制上索取基本的连续性而已。最后，最后，再用这些公设来做一点点的代数计算而已。看下方的描述，结果就是洛伦兹变换。 这是唯一能够满足我们宇宙关于相对性、对称性以及自洽性这些基础表述的变换。 它一定可以描述我们的现实。 所以呢，就必须存在一个宇宙速度的极限。 为什么？ 这个绝对速度的极限——让我们把它称作c——是一个可以定义洛伦兹变换的参数。 通过这个参数，整个洛伦兹变换就可以预测出这个宇宙速度的极限。而伽利略变换仅仅只是洛伦兹变换中c值等于无穷大的一个特殊个例。说实在的，仅从我们关于对称性和相对性的论述来看，c值可以是无穷大。但是，从别的层面上——依旧是跟光无关——我们知道这个数值不可能是无穷大。看见了吗？洛伦兹变换最终允许我们可以写下不受变换挟制版的麦氏方程组。通过它，我们可以写出一个在所有参考系都有效的电磁理论。 这就更进一步地证实了我们这种新式的变换可以精确地描述现实。但它只在一种情况下成立：一个具有特定数值的c。这个数值必须是麦氏方程组中基本常数的一个组合。为了能够使各种电磁定律普适地成立，我们需要一个有限的最大宇宙速度，即便在不考虑光的情形下。但是来看看这个。赋予我们宇宙速度极限值的这个基本常数的组合也恰恰是决定电磁波传播速度的那一个——光就是一种电磁波。c值正好就是光速。但它最先是因果关联的速度。 它是宇宙中任意两个区域可以进行交流的最大速度。 实际上，它也是任何观测者可以看见宇宙中任意两个部分进行交流的最大速度。 因为这个，它也是任何无质量粒子运动的唯一速度。 所以光或者光子，还有引力波和胶子都没有质量。因此它们可以以最大的速度穿梭。质量对于运动来说就是一个累赘。没有质量，就没有累赘。所以没有质量的东西可以尽其所快。实际上，正是由于质量、空间和时间的存在告诉了我们宇宙速度的极限是收敛的。爱因斯坦基于洛伦兹变换的阐释给予了我们狭义相对论——时间膨胀、长度收缩以及质能等价，后者可以通过一个著名的等式进行表达：E等于m乘以c的平方。 一旦我们具有以洛伦兹变换对空间和时间基本关系的描述，接受了爱因斯坦对此的阐释，这些结论就不可避免了。 所以，如果没有一个宇宙速度的极限，假设c值等于无穷大，会发生什么呢？ 物质将不复存在。 因为这将需要无穷无尽的能量来度量任何质量。 到处充斥着以无限快速穿梭的无质量粒子。 时间膨胀和长度收缩永无止境。 这里将没有时间和空间，没有因没有果，因为所有的位置与时间都在瞬间完成交流。 宇宙在任何时空中将会是一个无穷小量。 这确实是相当的矛盾。 所以在这样的场景中，明显的存在不自洽。 因此，这个佯谬本身就告诉我们一个无限速度的存在是不可能的。 而因果关联（传递）的速度有限是我们在起初就拥有一个合理宇宙的立本之基、必要之石。 作者：土豆泥 链接：https://www.zhihu.com/question/309934940/answer/838518688 来源：知乎 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。 这个问题的假设不对，光速为最大是狭义相对论推导出来的，不是由于某种更深层次的原因。在19世纪末20世纪初，人们发现电磁理论的麦克斯韦方程并不符合牛顿力学，或者更准确的说是不符合伽利略相对性原理。麦克斯韦方程组中定义了光速。物质的速度应该是相对的，即相对不同的参考系速度会不同。但是麦克斯韦方程组中的光速是一个常数，即不会随着惯性参考系的不同而不同。很多科学家如洛伦兹采用修改麦克斯韦方程的方法来解决这个矛盾，但是爱因斯坦坚信麦克斯韦方程组，于是提出了一个假设，光速是一个常数，不会随着参考系的变化而变化，这个假设称为光速不变原理。在这个假设下，结合相对性原理，可以用数学推导出物质速度等物理量相对不同参考系之间的变化规律，即洛伦兹变换。在这个变换下，可以用数学推导出结论，最大的速度是光速。 因此，光速最大是狭义相对论逻辑推导的结果，基于光速不变这个假设。至于为什么光速是个常数不变，这个是假设的。有人说这个可以用实验证明，比如迈克尔逊莫雷实验就证明了这一点，其实这个是不完全正确的。因为速度的测量依赖时间和距离，但是时间和距离的规定又是基于用光信号传递信息得来的，所以这是一个逻辑上的循环。当然这个就说远了。总之，光速不变是一个公理，没有更深层次的原因，就像平面几何中两点间只有一条直线一样，是一个公理性的假设，在这个假设下做出的推论都能与实验吻合，就说明这个假设是合理的。但没有更深的原因来解释这个假设。 作者：贝叶斯 链接：https://www.zhihu.com/question/309934940/answer/584193567 来源：知乎 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。