为什么宇宙会将最大速度限制在光速？

银鲜目江探

为什么宇宙会将最大速度限制在光速？
作者：一点资讯

LLL_111

问题的表述下蕴含的是这样一个命题：
为什么感觉宇宙似乎命定了：
1）光子在真空、在任何参考系中都只能以300000千米每秒的速度穿梭
2）这个数值为物体运动速度的上限
然而，此题可以套用一个知乎标准体进行回复：先问是不是，再问为什么
实际上，这是一个伪命题，或者至少它的表述与事实正好相反。
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://www.youtube.com/watch?v=msVuCEs8Ydo&list=PLsPUh22kYmNCLrXgf8e6nC_xEzxdx4nmY&index=2

光速警告：光怪陆离
https://www.zhihu.com/video/1161244091630448640
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？
挑衅脸
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。
太阳系的轮回眼模型
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。

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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。
智商支配者
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。
一眼万年
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。
赫兹装置的部分还原
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。
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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。
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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。
猴子总速度~技能获得
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。
小马视角
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。
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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。
高低肩展示
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。
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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。
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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。
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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。
动物园惊喜
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。
蜜汁变换
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。
洛伦兹加持
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。
引起强烈舒适的那“四个公式”
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。
速度的回应
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。
限定1
因为这个，它也是任何无质量粒子运动的唯一速度。
限定2
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。
庐山真龙霸.jpg
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。
悖论的本质
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。

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以下任何一句话不保证物理或者数学的正确性。
“物理学只探究这个世界是什么样的，并不专注讨论这个世界应该是什么样的”，打趣的说，这应该算作保守派了w。
物理学当然喜欢讨论“为什么”，如若不然也不会和其他经验科学有很大差别了。
人们常说广义相对论一个重要实际应用是GPS系统中的修正，其实如果没有GR的话无非也就是在实际探索过程中发现系统性偏差，然后拟合出经验公式，反过来再发现GR罢了。
在一个平行世界里，爱因斯坦和格罗斯曼没有命运的邂逅，他止步于各种标量引力理论，转而集中精力于量子物理。哈勃发现了红移规律，伽莫夫却无法完成他的成名论文。自然也没有什么引力的黄金时代。
在这样的世界中，大热的是某种光速可变理论。
这是因为我们熟知的宇宙度规，
（此行为FRW metric）
对时间的依赖只有空间和时间的比值，如果没有GR的哲学，这个比值可以被解释成随时间变化的光速。
光速改变的动力学效应，它背后的量子起源，一切都会被重塑，就像均轮本轮模型那样，直到技术和理论讨论足够成熟而孕育出GR，或许仅仅推迟几十年，或许另一个现在。无论如何也不过百年光阴，对科学而言很短。
回到问题，为什么最大速度是光速？一个问题可以有很多种表述，每种表述会引导我们进行不同的思考。
比如，为什么因果结构是相对论型的？
（未完）

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高赞回答其实并没有正面回答问题，高赞回答回答的是“为什么光速不是无限的，而是有限的。”题目是“为什么是这个速度“，光速代表了因果律的传递速度，这个速度为什么是30万公里/秒而不是40万，50万或者其他数？
这其实是一个细思极恐的问题，是问常数本身 为什么是这样的一个数而不是其他数？除了光速，还有精细结构常数（描述电磁力的强度），重力常数G等等。他们为什么是这个值而不是其他值的问题。
这其实是一个很好的问题，也就是类似于一个宇宙的终极问题：宇宙的常数为什么设置成这样？为什么宇宙是这样的？目前我们连解释整个世界的理论还没有有完善，实际上科学界对这些问题没有任何进展。
（以下仅为个人观点）
又要把人择原理搬出来了。即，正因为宇宙常数这样，才会产生这样的宇宙，才会产生人类，才会思考这个问题。就像幸存者偏差一样，假设100个人跳崖了，99个人死了，你刚好挂在树上没死。于是你开始思考：为什么只有你挂在树上？是不是你和树有某种特殊的吸引力？还是你有某种特殊的超能力体质？其实是，你不过是幸运罢了，每个人跳下去时候的速度，角度，就像宇宙的常数一样，刚好你的速度角度跳下去能被树接着没死，死了的人没办法发声罢了。
从这个角度来看，宇宙不是只有我们一个，可能曾有过光速为40万公里/秒的宇宙，但这个常数下会导致某种问题，如物质无法形成等等（非专业物理人士，此处可能有误），那个宇宙最后在一片虚无中毁灭了，又有别的宇宙是35万公里/秒的光速等等，直到所有常数都符合目前现在的宇宙，于是演化出物质，星云，才有了人类，才去思考这个问题。

和你相伴1

如果说相对论到底为什么那么重要，就是相对论提出了一个问题，我们对速度的定义是有问题的。


注意：接下来的这段文字并不打算带给你所谓的正确答案，而是希望透过这段文字来让你意识到传统观念中的一些问题，从而更好的理解这个所谓最大速度的本质。


我们来看一下速度是怎么定义的？距离除以时间对吧？距离是什么？是三维空间中一条路径的长度。或者说距离是用空间的度量度量出来的，他的单位是米什么的。时间是什么？问题的关键出在这里，事实上我们从来没有办法很好的定义时间。经常有人说时间是一个箭头，是一个轴，是一个一维blablablabla。OK，我们要怎样测量时间？从古到今，事实上我们对时间的测定采取的方式是什么？古时候是我们相对于太阳的位置，这个相对位置会影响太阳的影子和太阳在天空的角度。请注意这一点，时间事实上是用空间相对位置来测量的。为什么这会工作的非常好，因为太阳和我们的相对位置的变化是匀速的，也就是说速度是固定的，所以套用速度公式，我们将位移直接换算成了时间。
事实上我们每天都做这个事情，但是没有人发现这个问题，对的，通常来说时间事实上是以空间的距离来测量的。
这意味着什么？这意味着事实上我们并没有脱离空间对时间的测量方式。（量子力学前时代）
如果我们不能脱离空间来测量时间那意味着什么？意味着速度的定义有问题，速度是距离除以时间，我们现在知道时间可能并不是完全独立的。那距离除以时间就会变得很可疑。
直觉上我们总是认为两个实数的乘积或者商可以是全体实数，但是这有个前提，也就是这两个量是完全独立的。举个栗子，直角三角形直角的两条邻边长度之比可以是全体实数，但是，如果是一条直角边与斜边的比值呢？
这里给个小提示，sin(x)在x非常小的时候就是约等于x……


所以，如果时间和空间并不完全独立，那么速度的值域就有可能不会像我们所想象的那样覆盖全体实数。
这也许就是所谓的最大速度的本质。
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最后我想再强调一次的是，这个答案并不是给你一个正确的最终的结论，而只是打算给你另一条思路，让你去感受到之前没有意识到的东西。当然我不指望每个人都能用另一种视角来看问题。但，总有人可以体会不是么？