光速究竟有哪些非常的?為何宇宙雖然千方百計的限制光子在真空中只能以每秒30萬公里運動?從任何觀察著來看都是這么,同時還嚴禁任何東西趕超這個速率?(光速并沒有相對的概念,例如你以每秒5米的速率奔跑,旁觀者(靜止狀態)觀察從你頭上發出的光并不是光速+你奔跑的速率,而仍然是光速30萬公里每秒)。
答案是由于這些描述不盡正確,宇宙才不會刻意確保光速是定值,時空根本不在意光線如何跑,事實上宇宙限速背后或大有玄機,這個常數(光速)更精確來說似乎是因果傳遞的速率。
因果聯接的風波次序是所有觀測者一致同意的,但為何因果傳遞有個最高限速呢?為何這個速率又恰好等于光速呢?
在回答這個問題之前,須要先了解數學史上最重要的兩個發覺。首先是1632年的伽利略時代,他在書中支持哥白尼月球非中心的看法,然而他在書中還有另一個較不著名的看法,他的“相對性原理”。其實,這不是愛因斯坦的相對論,而是其先驅。
伽利略不只斷定月球和其他任何地點都不是非常的,他也覺得沒有哪些速率是非常的。換句話說,任何實驗的結果不會由于處在不同速率的慣性座標系而有所改變。這些伽利略式的相對原理是項驚人的創見,也在不久以后被牛頓寫入他的運動法則中。
還有一個就是19世紀的一項瘋狂實驗,一窺電與磁的奧秘。麥克斯韋爾,科學界一代宗師,用電磁法則編制成不朽的方程式,高貴地描述了所有電磁現象。到了19世紀末,數學學界早已有了麥克斯韋爾方程式和牛頓熱學,還有其他好多炫目理論,當時有種所有數學學已然大功告成的覺得。
但在估算中卻發覺一些奇特之處,隱約發出不祥之兆,其中就有兩個奇特點。
第一個暗示著大自然奇特的量子性質,麥克斯韋爾方程式和神圣的伽利略相對原理其實不一致。如今我們曉得就連牛頓熱學似乎也蘊涵著光速無限的假定,這很糟糕,由于這代表著時空和物質都不存在。
想像一只穿著輪滑鞋的小馬,它的背上有只猴子在輪滑上前進,假定猴子是帶有電荷的(由于聯通的電荷就會形成磁場),所以輪滑猴子在滑冰小馬上會形成磁場,這是顯而易見的,我們可以用麥克斯韋爾方程式估算出磁場硬度,估算中會用到我們觀察猴子的速率。
但這個速率是多少?伽利略和牛頓的理論表示,猴子速率=小馬滑冰速率+猴子輪滑速率,但倘若這只天才小馬也會方程式呢?它觀察猴子聯通的速率只有輪滑速率,所以估算出了完全不同的磁場!
這么我們與小馬誰對誰錯呢?
關鍵在于我們究竟檢測哪些,我們不會直接檢測磁場,而是磁場引起的效應,也就是檢測力,小馬與我們檢測到的力是一致的,電場和磁場之間有一種關乎速率的轉換,二者齊心協力讓不同座標系觀察到仍然的電磁力,也就是洛倫茲力。
這就代表電磁作用是重要的線索,推動我們探求時空和速率的關系,要如何能夠解開所有的聯結呢?答案就在于某種轉換過程,讓麥克斯韋爾方程式在不同座標系之間無縫接軌,這些轉換能夠正確代表真實世界。這些轉換有點像某種物理魔法棒,只要用它指向你的時空視角或化學法則,就能轉換至不同的座標系。
伽利略轉換是其中一例,根本上就是在說速率可以相乘,并且時間空間與速率無關,這些觀點被牛頓熱學所采用,剛才我們也用它來估算猴子的速率。并且麥克斯韋爾方程式在伽利略轉換之下不可能給出一致的結果,在這些轉換下難以保持不變。
低速情況下的力算下來大致正確,而高速情況下就不一樣了,這么是麥克斯韋爾錯了嗎?
不是的,這表示伽利略轉換是錯的,支柱牛頓熱學的轉換方式是錯誤的,惟一可行的方式稱作洛倫茲轉換(不再解讀,可以百度簡單了解),它比愛因斯坦的相對論更早被提出,并且愛因斯坦發覺這些轉換代表時間與空間的聯結,也預測了因果傳遞的速限,我們可以學愛因斯坦和洛倫茲用光速星體來估算推論這個轉換。
首先佯裝我們不曉得速率可以相乘,我們不曉得猴子速率是否=小馬滑冰速率+猴子輪滑速率。第二,沒有那個座標系比較好,在我們的轉換法則之下,數學法則和座標系的位置,方向,速率都無關。不管小馬在那里,它滑的有多快,往那里滑都不重要。這點是真的,想想看,月球繞著太陽轉,太陽圍繞銀河系轉,位置,方向和速率不斷改變,而且我們的實驗雖然不受影響。
之后要假定宇宙是個合乎常理的地方,也就是說我們可以在座標系之間不斷轉換,運用同一種轉換應當要能在小馬和猴子之間的座標系來去自如,只要代入不同的速率就好,也應當要能來回跳躍于多個座標系。例如說我們想去猴子座標系,可以先去小馬的座標系,之后轉換到猴子座標系,我們要求的只不過是基本的一致性。
最后用上述的公理加上一點點代數,得到的結果就是洛倫茲轉換,只有它能滿足上述的基本要求,滿足宇宙的相對性,對稱性和一致性,也一定能描述現實宇宙,所以宇宙速限一定存在,為何會這樣說?
這個絕對速限(簡稱為C)是定義洛倫茲轉換的惟一參數,透過這個參數,洛倫茲轉換預測了宇宙速限的存在,而伽利略轉換雖然就是洛倫茲轉換的特殊情況,也就是當C等于無限。
但就我們之前談到的相對性和對稱性來看,C的確有可能等于無限,但基于一些與光無關的緣由,我們曉得它不可能是無限!
洛倫茲轉換容許麥克斯韋爾方程式在轉換后的不變性,用它就才能寫下一條電磁學的普世法則,在所有座標系通用,這也進一步證明了洛倫茲轉換才是對現實的正確描述宇宙速度,并且其中的C要用一個特定的值才好使,這個值必須是麥克斯韋爾方程式中的一些基本常數組成。假如要讓電磁理論能夠運作,宇宙速限必須是有限的值,即使不考慮光速也是這么。
但神奇的是,算出宇宙速限的常數組合恰好描述了電磁波傳遞的速率,也就是光速,C的確等于光速,但它原本是因果傳遞的速率,它代表宇宙中的兩地傳遞訊息的速率上限,嚴格來說,是任何人觀察到兩地傳遞訊息的速率上限,也因而它是任何無質量粒子的最高速限!
所以光,也就是光子,還有重力波和膠子,它們質量都是零,所以都以最高速限運動,質量似乎就是運動的阻撓宇宙速度,沒有質量就沒有妨礙,所以無質量的粒子都會以最高速限運動,而質量本身和時空的存在告訴我們宇宙速限是個有限值。
愛因斯坦對于洛倫茲轉換的剖析帶來了狹義相對論,時間膨脹,厚度收縮,其實還有質能等價等(E等于MC平方)!
若果沒有宇宙速限,假定C等于無限會發生哪些事呢?
物質便不會存在,由于須要無限多的能量來創造質量,一切只有無質量粒子以無限速率運動,時間膨脹和厚度收縮的效應爆燃成無限大,時空本身也不復存在,沒有因果,由于所有地方都能及時的相互溝通,整個宇宙就只有這兒和現今。
所以這樣的世界觀本身就飽含矛盾,而這個悖論也表明了無限的速限是不可能的,因果傳遞的有限速率是宇宙存在的基本條件!