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为什么说光速不能被超越？

知乎日报  · 公众号  · 问答  · 2024-10-03 21:00

正文

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光速是自然界中最快的速度，无论是在空气、水中还是真空中，光的传播速度都是恒定的，约为每秒 299,792,458 米。在科学研究中，数百年来无数的实验证明了光速的不可超越性。那么，为什么光速不能被超越呢？一起来看看答主的回答吧。

为什么说光速不能被超越？

| 答主：李阳
我写这个尽量浅显一点。
光速不能被超越最先，可以说是实验发现的。

我们知道太阳在发出光，为了好类比，就像一个加特林，在发射子弹。我们可以当做太阳在发射子弹。
我们知道地球是自转的，你站在赤道上，日出的时候，你实际是在朝着太阳运动，日落的时候你在远离太阳运动。
如果是子弹，你朝着加特林运动，显然子弹相对你变快了，反之你会感觉子弹变慢了。追击相遇问题，小明追小红。这个你应该可以理解吧。
那么把子弹换成光子（说光子比光波更好理解）你朝着光子走，就会发现光子变快了，反之光子会变慢……（好像说的通，但是我们从来没听谁说过，光相对什么什么的速度。这么说好像有点奇怪。）
其实，上个世纪初，上面说的这个实验就做过了，结果发现：
两面测到的光速是一样的。
两面测到的光速是一样的。
两面测到的光速是一样的。
奇怪了！是不是子弹的比喻有问题？我们换成声波，毕竟光除了粒子还有波的特点。
在空气中，放一个喇叭，我背对喇叭跑，跑得越快，声音相对我越慢。等我跑到和音速相等了，音速就相对于我静止了，没错，一个声音会在我后面一直追我，永远追不上。
这个实验非常有趣，你想想，地球在宇宙中一直运动，如果这个把地球看做一个人，地球向前运动，前面的光速就会变快，后面的光就会变慢，我们就能测量出地球相对宇宙的某种绝对坐标系的速度，是不是很激动！！！！这个坐标系我们暂时叫「以太」。（请尽情吐槽）
这个实验如果换成光做你会发现：
光相对你的速度完全不会变！
光相对你的速度怎么都不会变！
光相对你的速度就是不会变！
一定是我们的实验工具出了问题！实际上 1900 年的人也做是这么想的。
就在这个时候，一个「专利局的职员」写了篇论文。
既然你们发现怎么测光速都不变，那么我就假设光速在任何速度的参考系中都不变！
我发射一个光子，在我看来他的速度是光速 C，你朝着光子运动， 你的速度是 C/2，你看到的光速也是 C，
我看到光子走了 2000 米，你走了 1000 米，那么你看到光子走了多远呢？一开始我、光子、你是重合的，某一时刻：
我---------------2000---------------光子
我------1000------你------1000------光子
你看到光子走了 1000 米
c=s/t
2000 ÷ 我的时间 = 光速 = 1000 ÷ 你的时间
想让上面的等式成立，就要让你的时间比我的时间慢。
你的时间变慢了！
实际上「专利局的职员」也用了同样的方法，只不过他假设你的速度是 V，就此得出了速度越快的物体，时间越慢。我这里不想放公式。你可以根据以上思路，自己推导出这个公式，然后跟钟慢效应比一比，推导这个不需要高等数学（这个推导其实是不严谨的。请自己思考为什么不严谨。）
当然，很多人都不相信「时间会变慢」这种鬼话，直到超音速飞机带着铯原子钟，绕着地球转了几圈，铯原子钟真的变慢了。这是后话。
我们书归正传，为什么说光速不能被超越？因为实验证明，不管在什么地方，测出来的光速都是一样的。
所以我们说子弹的速度是相对枪口的，声音的速度是相对空气（介质）的，只有这个光速，不需要相对，相对谁都是光速。因此也不能说光相对谁谁谁的速度，没这个说法。
那么最后提问，这个「专利局的职员」是谁？
略略略~~~~~

肯定会有高手来找不严谨的地方的。我就是写个最简单的科普。我有时间了一定仔细研究，把漏洞补上！！


| 答主：康爷
因为光速和光无关。
我们会发现除了光，还有另一个重要的物质也以光速传递：引力场。
然后我们会发现其实这个速度不是光定义的，只是人类最早发现这个速度是通过光，而这个速度限制本身是与光无关的，它是我们这个宇宙的一个基本属性，也可看作因果律传递的速度（物理定义上的因果律），只不过光刚好可以达到这一极限速度而已。
那么，这个速度极限为何存在呢？
因为如果因果律没有速度上限，则时间无法存在，所有信息在整个宇宙中不需要时间就可以传递到每个角落，整个宇宙将成为一个内部属性完全同步的基础量子，在这个宇宙的内部，任何事物不会发生或结束，只会存在或不存在，这样的宇宙内，自然也无法产生信息的不均质，而信息或者说物质的不均质才是恒星，行星，有机物乃至生命能够产生的根本原因。
所以我们所在的这个有生命，有星系的宇宙，必然是不均质的，而不均质则要求因果律的传递有极限速度，我们这极限速度恰巧在每秒三十万公里左右，而光是我们最容易观测到的，能以这个速度传递的物质，所以成就了光速永远无法被超越的定义，其深层，乃是这个宇宙得以存在的基石。
最后我们回来看看问题描述中的那个思想实验：
广义相对论中，比光速不可超越更重要的一个理论是时间的相对性，当你的速度越接近于光速，你的时间就越慢。
那么我们来模拟一下，你在一个刚好达到光速的飞船上，那么你的时间可以视为零，你自己的感受中过了一秒钟，对于另一个参照系中的人来说，已经过了无穷的时间，对于他来说，你是冻结在时间之中没有任何变化直到永远。
所以题主的这个问题就迎刃而解了：你在你的光速飞船上，向前奔跑的速度依然超过不了光速，甚至无法接近光速，光速最大在你的时间参照系中是坚不可摧的。
对于第三方观测你和你的飞船的人来说，他的时间过得比你快太多了，他只能观测到你和你的飞船以光速飞行，却无法看到你的时间流逝，他终其一生甚至终其整个宇宙的寿命，都无法看到你相对于飞船向前移动哪怕一个普朗克长度，因为对于他来说，你的时间根本没有流逝。
这个既浪漫又恐怖的理论却极可能是我们这个宇宙的现实，不得不感叹能够想出这惊世骇俗理论的爱因斯坦思维是多么的开阔！



题图来源：《盗梦空间》



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