为什么会有宇宙速度的极限?为什么宇宙中没有比光速更快的东西?

时间:2021-11-23 08:57:12   作者:
对于初学者来说,这不是一个速度限制,而是一个固定的速度。观察告诉我们,光的真空速度对所有的观察者来说都是一样的,不管他们自己的运动如何。这是非常违反直觉的:无论你是逃离光源,还是走向光源,你测量的光速都是一样的。这种观察被提升为一种原理,“不变速度”的存在成为相对论的基础。

这有很多后果。它们可以用适当的严格数学来探索。但速度限制可以解释。正如我提到的,光的真空速度对所有观察者来说都是一样的。所以在真空中以光速运动的物体对每个人来说都是以真空光速运动的。同时,观察者在他自己的参照系中总是处于静止状态。相对于你自己的速度是零。现在假设你在真空中以光速运动。这个速度对所有观察者都是一样的,包括你。所以你会同时测量自己以光速的真空速度运动和静止状态。这显然是一个矛盾,它通过结论解决,即不存在以真空光速运动的观察者参照系。

为什么会有宇宙速度的极限?为什么宇宙中没有比光速更快的东西?

如果移动速度比真空中的光速还快呢?数学告诉我们,对于一个观察者来说,一个速度比真空中的光速快,那么对于所有观察者来说,这个速度也就比真空中的光速快。再一次,这导致了同样的矛盾:如果你的移动速度比真空中的光速快,你就会同时看起来比真空中的光速快,并且处于静止状态(这显然比真空中的光速慢)。

这些天真的描述并非没有一些情节漏洞,但实际的数学是无懈可击的。不可避免的结论是只有比光慢的参照系存在。但这并不意味着没有什么比真空中的光速更快!通过一个简单的思维实验,想象一根非常强大的激光笔瞄准一堵很远的墙。如果你把激光笔摆动得足够快,墙上的红点可能会移动得更快,甚至快得多,比光的真空速度还要快。同样,影子的移动速度可以比真空中的光速还要快。就连缝隙的开端在一把巨大的剪刀里也能移动得比真空中的光速还要快。所谓的光本身在某些介质中的相速度,比如带电等离子体,可以更快,甚至快得多。

所有这些事物的共同之处在于它们与观察者的参考系无关。它们也不能用来传送信号。激光指针上的红点可能在一个遥远的表面上移动得非常快,但在那个表面上的人无法影响红点,从而向该表面上其他位置的人发送信息。

再说一遍,所有这些都是由于存在一个不变速度。

从好的方面说,看起来像一个限制非常有益:这个不变的速度授予我们的宇宙因果结构,允许未来遵循逻辑,从目前可以预见的是,所有影响有可识别的原因,最后,让我们存在和理解周围的世界。
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