若要从物理学的层面阐述,我想还得从爱因斯坦的狭义相对论着手。在物理学领域中,我们之所以说光速是速度的极限,这正是狭义相对论的核心观点之一。

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稍微对相对论有些了解的人应该都知道,整个狭义相对论的架构基于两个基本公设:1. 光在真空中的传播速度对于所有的惯性参照系而言都是恒定的。2. 在任何惯性参照系中,物理定律的表现形式相同。爱因斯坦正是基于这两个基本公设,通过严谨的数学运算与物理学推理,得出了众多惊人的结论。这其中包括著名的质能方程 E=mc平方,同时,他还揭示了时间膨胀、长度收缩,以及运动物体的质量大于其静止质量等诸多与牛顿力学相悖的结论。

这些数学公式向我们阐明,一个物体在速度逐渐接近光速的过程中,其质量会趋于无穷大,而在现实世界中,一个质量无穷大的物体显然是不存在的。这也表明了,任何具有静止质量的物体,其速度都不可能超越光速。(或者可以这样理解,要将一个物体加速到光速,所需的质量将趋于无穷大,所需的能量也是如此,而你无法提供无穷的能量去实现这一加速。)

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综上所述,我们可以清楚地看到,光速作为速度上限,是狭义相对论的直接推论。因此,如果你想探究为什么这个推论成立,那就意味着你实际上想问为什么狭义相对论是正确的。鉴于整个狭义相对论的理论体系是基于上述两个基本公设,你的问题也就转化为了:为什么这两个基本公设是正确的?

那么,这两个基本公设为何是正确的?通常,我们将它们视为物理学的公理,是通过大量实验和研究总结得出的基本规律。正如数学中的公理一样,它们无需证明,只能通过实验验证。但我认为,这样的回答可能并不能令你满意。因此,我试图用自己的理解来解释这两个基本公设。

首先,来看第二个公设:在所有的惯性参照系中,物理定律的表现形式相同。我承认,对于这一点,我没有更多的额外理解,因为它就像一条公理,无法证明,也说不出更深层次的原因,我们只能默认它成立(实际上,这个公设与人类传统的科学认知非常契合)。然而,基于这个公设,我试图从逻辑上(注意,仅仅是逻辑上,而不是数学或物理学上)推导出第一个公设:光速在所有的惯性参照系中都是恒定的。你可能会认为我在胡言乱语,但实际上,我们不妨思考一下:真空中的光速是如何得出的?它是通过麦克斯韦方程组计算得到的(具体的计算过程我这里不赘述,在任何一本电磁学的教材中都有),其数学表达式为:

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可以看出,真空中的光速实际上是由两个基本的物理常数决定的。基于第二个公设——所有的惯性参照系中物理定律的表现形式相同,那么在所有的惯性参照系中,物理常数应该保持不变,就像引力常数G、普朗克常数h、玻尔兹曼常数k等一样。在这种情况下,光速在所有惯性参照系中保持不变,便是顺理成章的事。

经过这一系列的分析,光速作为速度上限似乎成了一个自然的结论。我们的论证过程大体上是这样的:首先,我们假设狭义相对论的两个基本公设是正确的。接着,我们推导出狭义相对论本身是正确的。然后,我们得知狭义相对论的所有结论都是正确的。由于速度上限为光速是狭义相对论的一个推论,因此,这个结论也是正确的。

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你认为这个论证有说服力吗?

实际上,我们还可以从另一个角度去理解:根据狭义相对论的结论,如果某个物体的速度超过了光速,那么在某个参照系中,因果关系将会被破坏。举个例子:我射击了一次,靶子上留下了一个弹孔。射击是“因”,弹孔的出现是“果”。如果子弹的速度没有超过光速,那么无论你在哪个惯性参照系中观察,“因”总是先于“果”发生。但是,如果子弹的速度超过了光速,你就会发现在某个参照系中,靶子先出现了弹孔,而我才开枪。这就违背了因果关系。这也就是为什么我们会说,超过光速会回到过去,因为“因”和“果”的顺序被颠倒了。为了防止因果关系的破坏,宇宙只能将光速设为速度的上限。

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当然,如果你不想听这个未触及宇宙本质的解释,那可能需要探讨到哲学的层面了。为什么光速如此特别?为什么宇宙的速度上限恰好是这个数值?那可能只有造物主才知道。也许整个宇宙就是造物主的一个超级计算机,光速可能只是由于计算机的功率限制,而量子效应可能仅仅是由于计算机的分辨率限制。或许有一天,造物主厌倦了,就会关掉这台计算机。

我们又怎能知晓呢?