大自然為什麼有光速限制,不限制不行嗎?

2022年12月23日21:16:11 科學 1614

簡單講,光速限制,是愛因斯坦的狹義相對論的結論。

了解狹義相對論的夥伴們應該都知道,狹義相對論就是建立在兩條假設基礎上的提出來的,這兩條假設分別是:光速不變原理和狹義相對性原理。

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什麼意思呢?

第一條,光速不變原理,也就是說光速在任何慣性參考系中都保持不變,都是光速。

第二條,狹義相對性原理,在任何慣性參考系中,物理定律都是相同的。

狹義相對論推導出的所有結論,公式都是從上面兩個假設中得出來的,包括質能方程,尺縮效應,鐘慢效應,質增效應等等。

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比如說質增效應告訴我們,物體的質量會隨著速度的增加而變大,當物體的速度無限接近光速時,其質量就會變得無窮大,想要再加速就需要無窮的的能量,連整個宇宙的能量都不行,這顯然是不可能的。

所以,能夠看出,光速限制就是狹義相對論得出的結論。只要狹義相對論是對的那麼光速限制就是對的。而由於狹義相對論是建立在兩條假設基礎上的,所以,只要那兩條假設是對的,狹義相對論就是對的。

那麼,上述兩條假設為什麼是對的呢?

簡單講,所謂「假設」,其實就是前輩們通過大量觀察和實驗分析總結出來的規律,說白了就是公理,不需要證明,也無需證明,也沒有誰能最終證明。

就好比「兩點之間直線最短」一樣,這就是公理,是人們通過觀察總結出來的規律,非常符合人們的日常生活經驗,不需要證明,無需證明,也不可能最終證明。

因為兩點之間有無數種連接方式,如果真的要證明「兩點之間直線最短」,就必須把無數種連接方式都挨個證明才行,顯然這是不可能的。

也就是說,任何科學理論本質上都是假設,但絕非隨意拍腦門的假設,而是建立在大量觀察實驗的基礎上得出來的假設, 然後不斷驗證這種假設,在證偽的過程中得出科學理論。

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先拿「光速不變原理」來說,它並不符合我們的日常生活認知,那是因為我們生活在低速世界,在高速世界上非常符合我們的生活認知,比如說「邁克爾遜莫雷實驗」就證明了這點,還有數學公式也支持「光速不變原理」,下圖就是光速的表達公式:

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從公式中可以看出,光速並不需要任何參考系,它只與真空的磁導率和介電常數有關。

還有「狹義相對性原理」,在任何慣性參考系中,物理定律都是相同的。最明顯的例子,地球可以看做是慣性參考系,勻速直線行駛的火車也是慣性參考系。你坐在勻速直線行駛的火車上,與在地面上的感受沒有什麼不同,兩者是等價的!

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