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為什么宇宙會將最大速度限制在光速?

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樓主
online_member 發表于 2020-1-14 20:50:12 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?
作者:一點資訊
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online_member 發表于 2020-1-14 20:50:21 | 只看該作者
問題的表述下蘊含的是這樣一個命題:
為什么感覺宇宙似乎命定了
1)光子在真空、在任何參考系中都只能以300000千米每秒的速度穿梭
2)這個數值為物體運動速度的上限
然而,此題可以套用一個知乎標準體進行回復:先問是不是,再問為什么
實際上,這是一個偽命題,或者至少它的表述與事實正好相反。
宇宙自身并沒有限定光速為定值。時空根本就不在意光。
宇宙時速的極限具有更深層次的含義。
這個宇宙參數,更準確地說,也許就是因果關系的速度。
下面的長答案將會采用PBS SpaceTime的專題《The Speed of Light is NOT About Light》的觀點,為你條分縷析。
視頻觀看地址:https://www.youtube.com/watch?v=msVuCEs8Ydo&list=PLsPUh22kYmNCLrXgf8e6nC_xEzxdx4nmY&index=2
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?95 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987
光速警告:光怪陸離
https://www.zhihu.com/video/1161244091630448640
因果關聯給出了唯一的所有觀測者都能認同的時間順序。
但為什么因果關系有一個最大速度?并且為什么這個速度等于光速?
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?90 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 挑釁臉
要理解這些,我們首先需要回顧一下物理學中兩個最為重要的見解。
首先,讓我們回到1632年——褶邊領的潮流,普利茅斯的清教徒,還有在意大利,正為出書支持哥白尼日心說而即將受審的伽利略。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?49 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 太陽系的輪回眼模型
但在他的書中,還有一個不盡為人知的概念——相對性原理。這可不是愛因斯坦的相對論,不過相反地,它是后者的一個精妙的前驅(理念)。
伽利略指出,不管是在地球上或是宇宙的哪個犄角旮旯里,速度都不會具有特別的形式。
換言之,無論靜止或者慣性參考系的速度幾何,所有的實驗都應該得到相同的物理結果。
或者按照維基百科的說法(https://en.wikipedia.org/wiki/Principle_of_relativity):
物理定律在一切慣性參考系中都具有相同的形式,任何力學實驗都不能區分靜止和勻速運動的慣性參考系。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?92 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 苦口婆心.jpg
伽利略相對性原理的洞見實在是太過耀眼,以至于后來的艾薩克·牛頓爵士在他的力學體系中進行引入并編撰。
接下來,快進到19世紀——大禮帽、蒸汽機車以及發現電磁定律的各種瘋狂實驗。
大學霸詹姆斯·克拉克·麥克斯韋登場,他將前人發現的定律整理提煉到著名的麥氏方程組之后,以一種及其優雅簡潔的姿態完成了對整套電磁規律的描述。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?67 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 智商支配者
到了19世紀后半葉,這是一個黃金時代,物理學的大廈從來都沒有這樣金碧輝煌,令人嘆為觀止。
我們有雄偉壯觀的牛頓力學體系,在它之上構建起的同等規模的麥氏方程組,以及其他多樣的天才理論。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?35 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 一眼萬年
時人普遍有一種物理學已經盡善盡美的錯覺,當然在其看似高度成熟的體系之下暗藏了某種錯的離譜的數學事實——事實上,存在某兩種暗示。
第一條線索就是我們后來所熟知的看似荒誕不經的量子理論的萌芽,為經典物理大廈添磚加瓦的赫茲的電磁波接收實驗親手挽起了量子螻蟻,將電磁場論所構筑的千里之堤毀于盛世。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?95 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 赫茲裝置的部分還原
第二條,對于本文更為重要的線索,就是麥氏方程組在金光閃爍的伽利略相對性原理上所投擲的一枚困惑。
事實上,我們現在知道即便是牛頓的力學體系,也使用了相應的前設意指光速的無限,這確實是不對的。因為,在這樣的理論之下,暗示著時間、空間以及物質都不復存在。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?19 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 斬釘截鐵.jpg
首先,讓我來解釋一下麥氏方程組所引發的問題。
假設有一只踩著直排輪滑的小馬,它的背上蹲著一只滑板猴子。讓這字猴子帶電。
為什么?額,帶電粒子的移動能夠產生磁場。
所以,很明顯地,一只帶電的滑板猴在輪滑馬上產生了一個磁場。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?18 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 無限給與.jpg
而根據我所觀測到的猴子總速度,我可以利用麥氏方程組解得磁場的強度。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?64 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 猴子總速度~技能獲得
但猴子的總速度是多少呢?
伽利略和牛頓告訴我們猴子總速度等于小馬踩輪滑(以下簡稱輪滑馬)的速度加上猴子登滑板(以下簡稱滑板猴)的速度。
但是假如這只聰明的小馬同樣解出了麥氏方程組呢?
她會發現猴子只以滑板猴的速度進行移動,而因之得到了一個完全不同的磁場。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?84 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 小馬視角
所以,到底誰是對的呢?是我還是小馬呢?
答案的關鍵之石是我們測量的實際對象是什么。
我們測量的不是磁場。
我們測量的是它的效應。
我們測量的是力。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?78 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 矢口否認.jpg
這只小馬與我測量的是相同的力。
這里,在電場和磁場之間有一個速度相關的交換。
這兩個相互作用產生了一個與參照系無關的相同的電磁或者洛倫茲力。
而這個結論告訴我們電磁力掌控著時間、空間與速度三者基本相互作用的線索。
我們如何才能理解這三者的關聯?
可以通過一種特殊的變換來解碼,這種變換將會賦予麥氏方程組在各種參考系中無縫地跳躍,將會表征我們現實中的空間和時間。
這種變換手法,有點像你對著時空描述或者物理法則施展的一種數學魔杖。
而它可以領著你像哈利波特那樣在各種參照系中來回顛簸。
一個典型的例子就是伽利略變換,這種變換基本就是將相關的速度加到一起,并且告訴我們空間和時間并不依賴速度。
牛頓的力學用到它。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?22 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 高低肩展示
而我們也把它應用到麥氏方程組中獲取猴子總速度的解。
但到最后你會發現你根本就沒法寫出在伽利略變換下結果一致的麥氏方程組。
在伽利略變換之下,結果竟然不是不變的。
低速情形下,麥氏方程組在變換之下算是給出了正確的力值。
但得到的電場和磁場亂成一團。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?31 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 口是心非.jpg
而且在高速情形下——我去,還是不提了吧。
所以,這說明麥克斯韋是錯的嗎?
不是的。
錯的是伽利略變換。
這種用來支撐牛頓力學的變換是錯的。
唯一有效的變換叫做洛倫茲變換。
它在愛因斯坦的相對論之前就被人發現了。
但確實是愛因斯坦意識到洛倫茲變換告訴了我們空間和時間是如何交聯在一起,并且它也預言了因果關聯的速度。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?68 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 強勢引入.jpg
現在,你可以像洛倫茲和愛因斯坦那樣通過預設光速為常量來推出這個變換。
但現在忘記光速吧。
這個變換極其的深刻以至于基于空間和時間本質的幾種簡單表述就能驗證它的勢不可擋。
讓我來為你們展示一下。
首先,我們不會去假裝我們知道速度之間是如何加和的。
我們不知道猴子總速度等于輪滑馬的速度加上滑板猴的速度。
你為什么要去假設這么一個東西呢?
接下來,不存在任何優先的或者首先的慣性參考系。
在我們新的變換法則下,物理定律在各處都有相同的形式,無論位置、方向或者速度如何。
它也無關小馬前進的位置、速度或者方向。
這必須得是普適的。
試想,地球繞著太陽旋轉,而太陽繞著銀河系旋轉,位置、方向以及速度都在大幅度地變化。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?85 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 小宇宙爆發.jpg
而我們的實驗卻好像對這些毫不在意。
最后,假設宇宙的存在是合乎情理的。
有了這些假設,我們就可以在各種參考系中一致地進行變換。
通過使用不同的速度,我應該可以運行這種相同的變換進入到猴子的參考系以及小馬的參考系。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?4 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 動物園驚喜
我也應該可以連貫地在多重的參考系中來回跳躍。
我可以通過先進入小馬的參考系然后再從小馬跳躍到猴子的參考系中。
然后我也可以退回自己的參考系只要在速度錢加上一個負號即可。
本質上,我們只是在不同尺度的運作機制上索取基本的連續性而已。
最后,最后,再用這些公設來做一點點的代數計算而已。
看下方的描述,結果就是洛倫茲變換。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?1 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 蜜汁變換
這是唯一能夠滿足我們宇宙關于相對性、對稱性以及自洽性這些基礎表述的變換。
它一定可以描述我們的現實。
所以呢,就必須存在一個宇宙速度的極限。
為什么?
這個絕對速度的極限——讓我們把它稱作c——是一個可以定義洛倫茲變換的參數。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?1 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 洛倫茲加持
通過這個參數,整個洛倫茲變換就可以預測出這個宇宙速度的極限。
而伽利略變換僅僅只是洛倫茲變換中c值等于無窮大的一個特殊個例。
說實在的,僅從我們關于對稱性和相對性的論述來看,c值可以是無窮大。
但是,從別的層面上——依舊是跟光無關——我們知道這個數值不可能是無窮大。
看見了嗎?洛倫茲變換最終允許我們可以寫下不受變換挾制版的麥氏方程組。
通過它,我們可以寫出一個在所有參考系都有效的電磁理論。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?38 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 引起強烈舒適的那“四個公式”
這就更進一步地證實了我們這種新式的變換可以精確地描述現實。
但它只在一種情況下成立:一個具有特定數值的c。
這個數值必須是麥氏方程組中基本常數的一個組合。
為了能夠使各種電磁定律普適地成立,我們需要一個有限的最大宇宙速度,即便在不考慮光的情形下。
但是來看看這個。
賦予我們宇宙速度極限值的這個基本常數的組合也恰恰是決定電磁波傳播速度的那一個——光就是一種電磁波。
c值正好就是光速。
但它最先是因果關聯的速度。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?0 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 速度的回應
它是宇宙中任意兩個區域可以進行交流的最大速度。
實際上,它也是任何觀測者可以看見宇宙中任意兩個部分進行交流的最大速度。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?3 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 限定1
因為這個,它也是任何無質量粒子運動的唯一速度。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?92 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 限定2
所以光或者光子,還有引力波和膠子都沒有質量。
因此它們可以以最大的速度穿梭。
質量對于運動來說就是一個累贅。
沒有質量,就沒有累贅。
所以沒有質量的東西可以盡其所快。
實際上,正是由于質量、空間和時間的存在告訴了我們宇宙速度的極限是收斂的。
愛因斯坦基于洛倫茲變換的闡釋給予了我們狹義相對論——時間膨脹、長度收縮以及質能等價,后者可以通過一個著名的等式進行表達:
E等于m乘以c的平方。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?25 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987
一旦我們具有以洛倫茲變換對空間和時間基本關系的描述,接受了愛因斯坦對此的闡釋,這些結論就不可避免了。
所以,如果沒有一個宇宙速度的極限,假設c值等于無窮大,會發生什么呢?
物質將不復存在。
因為這將需要無窮無盡的能量來度量任何質量。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?99 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 廬山真龍霸.jpg
到處充斥著以無限快速穿梭的無質量粒子。
時間膨脹和長度收縮永無止境。
這里將沒有時間和空間,沒有因沒有果,因為所有的位置與時間都在瞬間完成交流。
為什么宇宙會將最大速度限制在光速?59 / 作者:LLL_111 / 帖子ID:56001,219987 悖論的本質
宇宙在任何時空中將會是一個無窮小量。
這確實是相當的矛盾。
所以在這樣的場景中,明顯的存在不自洽。
因此,這個佯謬本身就告訴我們一個無限速度的存在是不可能的。
而因果關聯(傳遞)的速度有限是我們在起初就擁有一個合理宇宙的立本之基、必要之石。
板凳
online_member 發表于 2020-1-14 20:51:16 | 只看該作者
以下任何一句話不保證物理或者數學的正確性。
“物理學只探究這個世界是什么樣的,并不專注討論這個世界應該是什么樣的”,打趣的說,這應該算作保守派了w。
物理學當然喜歡討論“為什么”,如若不然也不會和其他經驗科學有很大差別了。
人們常說廣義相對論一個重要實際應用是GPS系統中的修正,其實如果沒有GR的話無非也就是在實際探索過程中發現系統性偏差,然后擬合出經驗公式,反過來再發現GR罷了。
在一個平行世界里,愛因斯坦和格羅斯曼沒有命運的邂逅,他止步于各種標量引力理論,轉而集中精力于量子物理。哈勃發現了紅移規律,伽莫夫卻無法完成他的成名論文。自然也沒有什么引力的黃金時代。
在這樣的世界中,大熱的是某種光速可變理論。
這是因為我們熟知的宇宙度規,
(此行為FRW metric)
對時間的依賴只有空間和時間的比值,如果沒有GR的哲學,這個比值可以被解釋成隨時間變化的光速。
光速改變的動力學效應,它背后的量子起源,一切都會被重塑,就像均輪本輪模型那樣,直到技術和理論討論足夠成熟而孕育出GR,或許僅僅推遲幾十年,或許另一個現在。無論如何也不過百年光陰,對科學而言很短。
回到問題,為什么最大速度是光速?一個問題可以有很多種表述,每種表述會引導我們進行不同的思考。
比如,為什么因果結構是相對論型的?
(未完)
地板
online_member 發表于 2020-1-14 20:51:43 | 只看該作者
高贊回答其實并沒有正面回答問題,高贊回答回答的是“為什么光速不是無限的,而是有限的!鳖}目是“為什么是這個速度“,光速代表了因果律的傳遞速度,這個速度為什么是30萬公里/秒而不是40萬,50萬或者其他數?
這其實是一個細思極恐的問題,是問常數本身 為什么是這樣的一個數而不是其他數?除了光速,還有精細結構常數(描述電磁力的強度),重力常數G等等。他們為什么是這個值而不是其他值的問題。
這其實是一個很好的問題,也就是類似于一個宇宙的終極問題:宇宙的常數為什么設置成這樣?為什么宇宙是這樣的?目前我們連解釋整個世界的理論還沒有有完善,實際上科學界對這些問題沒有任何進展。
(以下僅為個人觀點)
又要把人擇原理搬出來了。即,正因為宇宙常數這樣,才會產生這樣的宇宙,才會產生人類,才會思考這個問題。就像幸存者偏差一樣,假設100個人跳崖了,99個人死了,你剛好掛在樹上沒死。于是你開始思考:為什么只有你掛在樹上?是不是你和樹有某種特殊的吸引力?還是你有某種特殊的超能力體質?其實是,你不過是幸運罷了,每個人跳下去時候的速度,角度,就像宇宙的常數一樣,剛好你的速度角度跳下去能被樹接著沒死,死了的人沒辦法發聲罷了。
從這個角度來看,宇宙不是只有我們一個,可能曾有過光速為40萬公里/秒的宇宙,但這個常數下會導致某種問題,如物質無法形成等等(非專業物理人士,此處可能有誤),那個宇宙最后在一片虛無中毀滅了,又有別的宇宙是35萬公里/秒的光速等等,直到所有常數都符合目前現在的宇宙,于是演化出物質,星云,才有了人類,才去思考這個問題。
5#
online_member 發表于 2020-1-14 20:52:25 | 只看該作者
如果說相對論到底為什么那么重要,就是相對論提出了一個問題,我們對速度的定義是有問題的。


注意:接下來的這段文字并不打算帶給你所謂的正確答案,而是希望透過這段文字來讓你意識到傳統觀念中的一些問題,從而更好的理解這個所謂最大速度的本質。


我們來看一下速度是怎么定義的?距離除以時間對吧?距離是什么?是三維空間中一條路徑的長度;蛘哒f距離是用空間的度量度量出來的,他的單位是米什么的。時間是什么?問題的關鍵出在這里,事實上我們從來沒有辦法很好的定義時間。經常有人說時間是一個箭頭,是一個軸,是一個一維blablablabla。OK,我們要怎樣測量時間?從古到今,事實上我們對時間的測定采取的方式是什么?古時候是我們相對于太陽的位置,這個相對位置會影響太陽的影子和太陽在天空的角度。請注意這一點,時間事實上是用空間相對位置來測量的。為什么這會工作的非常好,因為太陽和我們的相對位置的變化是勻速的,也就是說速度是固定的,所以套用速度公式,我們將位移直接換算成了時間。
事實上我們每天都做這個事情,但是沒有人發現這個問題,對的,通常來說時間事實上是以空間的距離來測量的。
這意味著什么?這意味著事實上我們并沒有脫離空間對時間的測量方式。(量子力學前時代)
如果我們不能脫離空間來測量時間那意味著什么?意味著速度的定義有問題,速度是距離除以時間,我們現在知道時間可能并不是完全獨立的。那距離除以時間就會變得很可疑。
直覺上我們總是認為兩個實數的乘積或者商可以是全體實數,但是這有個前提,也就是這兩個量是完全獨立的。舉個栗子,直角三角形直角的兩條鄰邊長度之比可以是全體實數,但是,如果是一條直角邊與斜邊的比值呢?
這里給個小提示,sin(x)在x非常小的時候就是約等于x……


所以,如果時間和空間并不完全獨立,那么速度的值域就有可能不會像我們所想象的那樣覆蓋全體實數。
這也許就是所謂的最大速度的本質。
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最后我想再強調一次的是,這個答案并不是給你一個正確的最終的結論,而只是打算給你另一條思路,讓你去感受到之前沒有意識到的東西。當然我不指望每個人都能用另一種視角來看問題。但,總有人可以體會不是么?
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