大自然为什么有光速限制,不限制不行吗?

2022年12月23日21:16:11 科学 1614

简单讲,光速限制,是爱因斯坦的狭义相对论的结论。

了解狭义相对论的伙伴们应该都知道,狭义相对论就是建立在两条假设基础上的提出来的,这两条假设分别是:光速不变原理和狭义相对性原理。

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什么意思呢?

第一条,光速不变原理,也就是说光速在任何惯性参考系中都保持不变,都是光速。

第二条,狭义相对性原理,在任何惯性参考系中,物理定律都是相同的。

狭义相对论推导出的所有结论,公式都是从上面两个假设中得出来的,包括质能方程,尺缩效应,钟慢效应,质增效应等等。

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比如说质增效应告诉我们,物体的质量会随着速度的增加而变大,当物体的速度无限接近光速时,其质量就会变得无穷大,想要再加速就需要无穷的的能量,连整个宇宙的能量都不行,这显然是不可能的。

所以,能够看出,光速限制就是狭义相对论得出的结论。只要狭义相对论是对的那么光速限制就是对的。而由于狭义相对论是建立在两条假设基础上的,所以,只要那两条假设是对的,狭义相对论就是对的。

那么,上述两条假设为什么是对的呢?

简单讲,所谓“假设”,其实就是前辈们通过大量观察和实验分析总结出来的规律,说白了就是公理,不需要证明,也无需证明,也没有谁能最终证明。

就好比“两点之间直线最短”一样,这就是公理,是人们通过观察总结出来的规律,非常符合人们的日常生活经验,不需要证明,无需证明,也不可能最终证明。

因为两点之间有无数种连接方式,如果真的要证明“两点之间直线最短”,就必须把无数种连接方式都挨个证明才行,显然这是不可能的。

也就是说,任何科学理论本质上都是假设,但绝非随意拍脑门的假设,而是建立在大量观察实验的基础上得出来的假设, 然后不断验证这种假设,在证伪的过程中得出科学理论。

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先拿“光速不变原理”来说,它并不符合我们的日常生活认知,那是因为我们生活在低速世界,在高速世界上非常符合我们的生活认知,比如说“迈克尔逊莫雷实验”就证明了这点,还有数学公式也支持“光速不变原理”,下图就是光速的表达公式:

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从公式中可以看出,光速并不需要任何参考系,它只与真空的磁导率和介电常数有关。

还有“狭义相对性原理”,在任何惯性参考系中,物理定律都是相同的。最明显的例子,地球可以看做是惯性参考系,匀速直线行驶的火车也是惯性参考系。你坐在匀速直线行驶的火车上,与在地面上的感受没有什么不同,两者是等价的!

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