宇宙為何要限制光速?背後的玄機又是什麼?

2023年03月26日19:05:03 科學 1638

比如限制光速中的「光速」指的只是「光」的速度,還是指這個特定的速度值(大約30萬千米/秒)?

宇宙如果只是限制了「光」的速度,並沒有限制別的速度,那麼按照邏輯推理,別的東西的速度顯然可以超過光的速度,可以達到40萬千米/秒、30億千米/秒……。但狹義相對論的質量效應公式指出:任何靜質量不為0的物體的運動速度是不可能達到光在真空中的速度大小的,即299792458米/秒。

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(其中m為物體的質量,m0為物體的靜質量,V為物體的運動速度,C為光速。從式中可以看出,當V→C時,分母根式→0,則m→+∞。而物體質量趨向於無窮大,會使物體運動速度難以增大到光速C,因為這需要無窮大的能量才能推動,而這是不可能的。要知道宇宙如果是有限的,那麼全宇宙的能量也是有限的。因而宇宙以此來阻止物體的運動速度達到光速。

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由此可見,似乎「限制光速」指的是任何東西的速度不能超過299792458米/秒這個速度值的意思,而非單指「光」的傳播速度,因為儘管光在真空中一直是以299792458米/秒這個速度傳播的,但在別的介質中的傳播速度是小於這個值的。

但反過來講,任何東西的速度不能超過甚至達到這個值,唯獨光可以達到這個速度,並且這個速度對於光來說是不變的。

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換句話說,任何東西永遠追不上光,任何東西的相對速度達不到光速,即使兩個物體各以大於一半光速相向運動,它們的相互速度,按照伽利略速度疊加原理明明大於光速,可實際情況卻並非如此,按照狹義相對論速度疊加原理可知,它們的相互速度是小於光速的。

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(當u′>C/2,Ⅴ>C/2時,u<C)

由此可見,似乎限制的仍然是「光」的速度。那到底是怎樣的?

下面我們正式回答一下標題的疑問,我覺得可以換個角度來看這個問題:

應該說宇宙並沒有限制光速。實際情況是,光速是宇宙時空的界限,是宇宙物質脫離以時間與空間方式存在的界限。只要達到了光速,物質就可以別的方式存在(以別的方式存在不違反任何法則)。可見是光速限制了宇宙,而不是相反。

光速(這裡指的是真空中的光速,即大小為299792458米/秒)看起來雖然是個常數,但它是一個對於任何參考系的「不變常數」,這就給光速賦予了耐人尋味的涵義。因為參考系之間存在相對運動,而光速大小對於每一個參考系卻都是一樣的。我們知道速度(包括光的速度)就是距離(空間)和時間的比值。光速不變,即這個比值不變。這反映了時空中存在特定不變的東西,應該說光速不變就是時空性質的反映。而每一個參考系就對應著一個時空,因此光速對於任意參考系也就確定不變。

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往深了理解,光速也不是宇宙的速度限制

不變的不是快慢大小,而是與時空的關係。因此嚴格說起來,光速也不是宇宙的速度限制。假如有一個相對地球以接近光速(比如為光速的90%)運動的物體甲,如果在這個甲物體相同運動方向上還存在一個相對於甲物體以接近光速(比如也為光速的90%)的乙物體,按照上面相對論速度疊加原理,乙物體相對於地球的速度仍然小於光速C的(根據前面的公式算出具體大小為180C/181),而不是1.8C。

這個乙物體相對地球的速度顯然比甲物體相對地球的速度(0.9C)要大,雖然從數字上看大不了多少,但如果從「絕對時空觀」的角度看,我們都知道乙物體的速度「大小」早「超」光速了。可是宇宙時空並不是絕對的,乙物體相對於地球的速度小於光速是真實有效的,這就是時空的相對性,這個相對性可以看作是一種限制。但另一方面,在乙物體運動方向上光的運動速度相對於乙物體來講,仍然是光速C(當然在任何方向上,光對於乙物體都是光速C)。這個意思就是,任何物體的速度不論多快,哪怕覺得是幾億倍C了(儘管是不可能的,即使把上面所說的思想實驗也算上),也永遠追不上光。

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因此從這個意義上說,光速一點也不小,它實質上並沒有限制宇宙速度

關於多重宇宙與光速的關係問題

關於這個問題,我的理解是壓根不存在多重宇宙,即平行宇宙。不過也許存在更高維的宇宙,有關這方面的討論我在有關文章中有詳述,這裡不再討論。而光速應該是脫離本維度宇宙時空的界限,可以進入更高維度或根本不以時空方式存在的宇宙。

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