光速究竟有哪些非常的?为何宇宙虽然千方百计的限制光子在真空中只能以每秒30万公里运动?从任何观察着来看都是这么,同时还严禁任何东西赶超这个速率?(光速并没有相对的概念,例如你以每秒5米的速率奔跑,旁观者(静止状态)观察从你头上发出的光并不是光速+你奔跑的速率,而仍然是光速30万公里每秒)。
答案是由于这些描述不尽正确,宇宙才不会刻意确保光速是定值,时空根本不在意光线如何跑,事实上宇宙限速背后或大有玄机,这个常数(光速)更精确来说似乎是因果传递的速率。
因果联接的风波次序是所有观测者一致同意的,但为何因果传递有个最高限速呢?为何这个速率又恰好等于光速呢?
在回答这个问题之前,须要先了解数学史上最重要的两个发觉。首先是1632年的伽利略时代,他在书中支持哥白尼月球非中心的看法,然而他在书中还有另一个较不著名的看法,他的“相对性原理”。其实,这不是爱因斯坦的相对论,而是其先驱。
伽利略不只断定月球和其他任何地点都不是非常的,他也觉得没有哪些速率是非常的。换句话说,任何实验的结果不会由于处在不同速率的惯性座标系而有所改变。这些伽利略式的相对原理是项惊人的创见,也在不久以后被牛顿写入他的运动法则中。
还有一个就是19世纪的一项疯狂实验,一窥电与磁的奥秘。麦克斯韦尔,科学界一代宗师,用电磁法则编制成不朽的方程式,高贵地描述了所有电磁现象。到了19世纪末,数学学界早已有了麦克斯韦尔方程式和牛顿热学,还有其他好多炫目理论,当时有种所有数学学已然大功告成的觉得。
但在估算中却发觉一些奇特之处,隐约发出不祥之兆,其中就有两个奇特点。
第一个暗示着大自然奇特的量子性质,麦克斯韦尔方程式和神圣的伽利略相对原理其实不一致。如今我们晓得就连牛顿热学似乎也蕴涵着光速无限的假定,这很糟糕,由于这代表着时空和物质都不存在。
想像一只穿着轮滑鞋的小马,它的背上有只猴子在轮滑上前进,假定猴子是带有电荷的(由于联通的电荷就会形成磁场),所以轮滑猴子在滑冰小马上会形成磁场,这是显而易见的,我们可以用麦克斯韦尔方程式估算出磁场硬度,估算中会用到我们观察猴子的速率。
但这个速率是多少?伽利略和牛顿的理论表示,猴子速率=小马滑冰速率+猴子轮滑速率,但倘若这只天才小马也会方程式呢?它观察猴子联通的速率只有轮滑速率,所以估算出了完全不同的磁场!
这么我们与小马谁对谁错呢?
关键在于我们究竟检测哪些,我们不会直接检测磁场,而是磁场引起的效应,也就是检测力,小马与我们检测到的力是一致的,电场和磁场之间有一种关乎速率的转换,二者齐心协力让不同座标系观察到仍然的电磁力,也就是洛伦兹力。
这就代表电磁作用是重要的线索,推动我们探求时空和速率的关系,要如何能够解开所有的联结呢?答案就在于某种转换过程,让麦克斯韦尔方程式在不同座标系之间无缝接轨,这些转换能够正确代表真实世界。这些转换有点像某种物理魔法棒,只要用它指向你的时空视角或化学法则,就能转换至不同的座标系。
伽利略转换是其中一例,根本上就是在说速率可以相乘,并且时间空间与速率无关,这些观点被牛顿热学所采用,刚才我们也用它来估算猴子的速率。并且麦克斯韦尔方程式在伽利略转换之下不可能给出一致的结果,在这些转换下难以保持不变。
低速情况下的力算下来大致正确,而高速情况下就不一样了,这么是麦克斯韦尔错了吗?
不是的,这表示伽利略转换是错的,支柱牛顿热学的转换方式是错误的,惟一可行的方式称作洛伦兹转换(不再解读,可以百度简单了解),它比爱因斯坦的相对论更早被提出,并且爱因斯坦发觉这些转换代表时间与空间的联结,也预测了因果传递的速限,我们可以学爱因斯坦和洛伦兹用光速星体来估算推论这个转换。
首先佯装我们不晓得速率可以相乘,我们不晓得猴子速率是否=小马滑冰速率+猴子轮滑速率。第二,没有那个座标系比较好,在我们的转换法则之下,数学法则和座标系的位置,方向,速率都无关。不管小马在那里,它滑的有多快,往那里滑都不重要。这点是真的,想想看,月球绕着太阳转,太阳围绕银河系转,位置,方向和速率不断改变,而且我们的实验虽然不受影响。
之后要假定宇宙是个合乎常理的地方,也就是说我们可以在座标系之间不断转换,运用同一种转换应当要能在小马和猴子之间的座标系来去自如,只要代入不同的速率就好,也应当要能来回跳跃于多个座标系。例如说我们想去猴子座标系,可以先去小马的座标系,之后转换到猴子座标系,我们要求的只不过是基本的一致性。
最后用上述的公理加上一点点代数,得到的结果就是洛伦兹转换,只有它能满足上述的基本要求,满足宇宙的相对性,对称性和一致性,也一定能描述现实宇宙,所以宇宙速限一定存在,为何会这样说?
这个绝对速限(简称为C)是定义洛伦兹转换的惟一参数,透过这个参数,洛伦兹转换预测了宇宙速限的存在,而伽利略转换虽然就是洛伦兹转换的特殊情况,也就是当C等于无限。
但就我们之前谈到的相对性和对称性来看,C的确有可能等于无限,但基于一些与光无关的缘由,我们晓得它不可能是无限!
洛伦兹转换容许麦克斯韦尔方程式在转换后的不变性,用它就才能写下一条电磁学的普世法则,在所有座标系通用,这也进一步证明了洛伦兹转换才是对现实的正确描述宇宙速度,并且其中的C要用一个特定的值才好使,这个值必须是麦克斯韦尔方程式中的一些基本常数组成。假如要让电磁理论能够运作,宇宙速限必须是有限的值,即使不考虑光速也是这么。
但神奇的是,算出宇宙速限的常数组合恰好描述了电磁波传递的速率,也就是光速,C的确等于光速,但它原本是因果传递的速率,它代表宇宙中的两地传递讯息的速率上限,严格来说,是任何人观察到两地传递讯息的速率上限,也因而它是任何无质量粒子的最高速限!
所以光,也就是光子,还有重力波和胶子,它们质量都是零,所以都以最高速限运动,质量似乎就是运动的阻挠宇宙速度,没有质量就没有妨碍,所以无质量的粒子都会以最高速限运动,而质量本身和时空的存在告诉我们宇宙速限是个有限值。
爱因斯坦对于洛伦兹转换的剖析带来了狭义相对论,时间膨胀,厚度收缩,其实还有质能等价等(E等于MC平方)!
若果没有宇宙速限,假定C等于无限会发生哪些事呢?
物质便不会存在,由于须要无限多的能量来创造质量,一切只有无质量粒子以无限速率运动,时间膨胀和厚度收缩的效应爆燃成无限大,时空本身也不复存在,没有因果,由于所有地方都能及时的相互沟通,整个宇宙就只有这儿和现今。
所以这样的世界观本身就饱含矛盾,而这个悖论也表明了无限的速限是不可能的,因果传递的有限速率是宇宙存在的基本条件!