深度長文：為什么宇宙會限制速度的極限值為光速？（建議收藏）

光速和超光速，是我以往科普工作中無論如何都避免不了的問題，也是很多伙伴們非常關心，熱衷于討論的問題。

對于光速，目前有兩個共識：

第一，光在真空中的速度恒定為每秒30萬公里。

第二，光速是宇宙萬物的極限速度。

但是，如果對光速的認知僅僅停留在以上兩個方面，顯然是不夠的。還有一個更大的問題是：宇宙真的限制了速度的極限值為光速？

答案是否定的。事實上，宇宙并沒有限定光速為速度的極限值，對于大自然來講，它一點也不在乎速度是否超過光速。

這也說明了一點：所謂的“光速限制”，其實背后有更深刻的含義，并不是字面意思表達出來的那樣。簡單來講，宇宙中的速度極限為光速，這個速度其實就是“因果關系”的速度。

下面來具體分析一下光速與因果之間的關系。

在我們的現實生活中，因果關系非常很重要，它是所有人都認同的唯一時間順序。但問題就在于，因果關系為什么有一個極限速度，而且這個速度剛好等于光速呢？

要想弄清楚這個問題，我們需要穿梭到幾百年前的世界，穿越到伽利略和牛頓時代。幾百年前，伽利略曾提出過一個著名的原理：相對性原理。

這個原理其實很簡單，在我們日常生活中都能感受到，簡單理解是這樣的：不管在宇宙中的任何地方，速度其實都沒有特別的形式。通俗理解就是：在慣性系，也就是靜止或者勻速直線運動參照系中，物理定律都呈現相同形式，所有的物理實驗結果都是相同的。

也就是說，在慣性系中，任何實驗都不能區分靜止還是運動直線運動。

最簡單的例子其實經常出現在我們身邊。比如說，火車做勻速直線運動，你在火車上，如果假設火車不會發出聲音，閉上眼睛的你根本無法感知到自己是在運動的火車上，你的感受與靜止在地面上的感受沒有任何區別。

伽利略相對性原理看起來很簡單，很容易理解，但不要以我們如今的眼光看到幾百年前的伽利略時代，在那個時代能提出相對性原理著實不簡單。伽利略提出相對性原理足夠偉大，也很耀眼，以至于后來的牛頓也把相對論原理納入了他的力學體系當中。

當時的物理學界對于光速的認知并不像現在這么深入。在相對性原理和牛頓力學體系下，其實有一種暗示：光速是無限的。而光速無限意味著時間空間和物質都將不復存在，顯然“光速無限”是有瑕疵的。

更重要的一點，牛頓之后另一位偉大的物理學家麥克斯韋，提出了麥克斯韋方程組，由此也引發了另一個無法回避的問題。

具體什么問題呢？讓我們來舉例說明。

假設有這么一匹會輪滑的小馬，還有一只會滑板的猴子。猴子在小馬的背上玩滑板，同時假設猴子是帶電的，而小馬在地面上玩輪滑。

我們都知道，帶電粒子的運動可以產生磁場，那么猴子玩輪滑時自然會產生磁場。

這個磁場強度在我們看來有多強呢？根據麥克斯韋方程組就能計算出來，這個強度與我們觀測到的猴子的速度息息相關。

但猴子的速度到底是多少呢？

伽利略和牛頓的答案是：猴子速度等于小馬的速度加上猴子在馬背上的滑板速度。這個很好理解，就是相對速度的疊加。

但問題來了，如果這匹小馬足夠聰明，聰明到也能運用麥克斯韋方程組計算磁場強度，結果會怎么樣呢？

在小馬看來，猴子的速度只是滑板本身的運動速度，與我們觀測到的猴子速度并不一樣，所以小馬計算出來的磁場強度與我們計算出來的強度不同。

那么，到底誰對誰錯呢？磁場強度到底應該是多少呢？

如果被這種思維方式左右，結果只能是越陷越深，最終完全走進死胡同。我們應該明白，問題的關鍵其實不在于我們觀測到的對象，而在于觀測對象產生的效應！

也就是說，我們測量的表面看起來是磁場本身，其實不是的，我們測量的是磁場產生的效應，說白了就是力。

結果就是：小馬測量到的力與我們測量到的力是一樣的，并不會產生任何矛盾的結果。

實際上這就意味著，在磁場和電場之間，一定存在一個與速度相關的轉換，電場和磁場的相互作用產生了一個與參照系無關的力，也就是洛倫茲力。

同時，這個結果也告訴了我們：看似簡單的電磁力，其實是速度與時間空間之間相互關系的重要線索。

那么，速度與時間和空間三者之間到底有什么聯系呢？

說白了，就是通過一種特殊的變換來實現，這種變換可以讓我們在不同的參照系之間來回跳躍，最典型的例子就是剛才所講的伽利略變換，也是很簡單的變換，說白了就是速度疊加，這個變換背后的本質就是“時間和空間是絕對的”，時間和空間與速度沒有任何關系。

而牛頓力學體系就是以絕對時空觀為背景的。

當我們把伽利略變換應用到麥克斯韋方程組中，會發現我們根本無法得到結果一致的麥克斯韋方程組。也就是說，在伽利略變換下，得到的結果竟然是會變化的。

只是在低速情況下，麥克斯韋方程組在伽利略變化下可以計算出正確的力值，但是得到的磁場和電場會很混亂。

而在高速情況下，結果就會誤差很大。

難道麥克斯韋方程組錯了嗎？并不是的，是伽利略變換錯了，或者說“伽利略變換的適用范圍有限”。

我們需要用更具普適性的變換來代替伽利略變換，它就是洛倫茲變換，這個變換早在愛因斯坦提出相對論之前就被發現了。

不過，愛因斯坦通過洛倫茲變換告訴世人時間和空間是如何交織在一起的，同時也預言了因果關系的速度。

我們可以通過預設光速為常數，來推導出洛倫茲變換。不過即便是我們暫時忘記光速，同樣可以理解洛倫茲變換。

還拿上面小馬與猴子的運動來舉例說明。

假設我們不知道猴子的速度等于猴子滑板的速度加上小馬自身的速度，之所以做這樣的假設，就是為了突出“任何慣性系都不是優先的”。物理定律在宇宙任何地方都具有相同形式，與小馬和猴子的運動速度，位置，方向都沒有關系。

說白了，物理定律是普適的。

這一點很容易理解。想想看，地球自身在運動，同時也圍繞著太陽公轉，而太陽圍繞著銀河系運行，無論是位置，速度方向都會有非常復雜的變化。

但不管怎么變化， 都不會對我們在地球上的實驗結果有任何影響，甚至我們在火星或者星球上的實驗結果也是相同的。

這也就意味著，我們當然可以在不同的參照系之間進行一致的變換，通過使用不同的速度，完全可以利用這種變換進入到小馬和猴子的參照系。

當然我們也可以在不同的參照系中來回跳躍，然后只需要在速度前面加上一個負號，就可以退回到我們自己的參照系。最后，再利用一些簡單的數學計算，就可以得到洛倫茲變換，整個過程并不復雜。

而洛倫茲變換，是目前為止唯一能滿足宇宙對稱性，自洽性和相對性的變換，當然能描述我們的現實世界。

通過洛倫茲變換可以看出，變換中存在一個參數c，而通過這個參數就可以預測宇宙的速度極限。

而一開始提到的伽利略變換，其實只是常數c無窮大時的一個特例罷了。從洛倫茲變換公式中可以看出，當c趨于無窮大時，公式就簡化為伽利略變換。

其實，單單從相對性和對稱性層面來講，c是可以無窮大的，但從其他層面來講，即便我們不考慮光本身，c也不可能是無窮大的，它必須具有特定值，而且這個數值必須也是麥克斯韋方程組中基本常數的一個組合。

也就是說，為了使麥克斯韋方程組成立，宇宙的最大速度就必須是有限的。

而宇宙的這個極限速度常數，也正好是電磁波傳播的速度，也就是光速，c正好就是光速，這并非是巧合，而是必然。

不過這個常數c在一開始其實就是因果關系的速度，也是宇宙中任何兩點之間信息傳播的最大速度。也正因為如此，也預示著常數c是任何無質量粒子的唯一運動速度。

光子，膠子還有引力波都沒有質量，所以它們的速度就是光速，必須以光速飛行，而且一出生就是光速，沒有任何加速過程。

說白了，質量對于運動速度來講，完全就是累贅。沒有質量，就意味著沒有了任何累贅，完全可以盡情地飛行，以最快速度飛行，這個速度就是光速。

這也表明了一點，正是因為時間，空間和質量的存在，讓導致了我們的宇宙速度極限必定是收斂的，而不是無限的。

而洛倫茲變換其實也是愛因斯坦提出相對論公式的基礎之一，比如說時間膨脹公式，尺縮效應公式，還有質能公式等等。

一旦我們理解了洛倫茲變換對于時間和空間關系的描述，其實這些公式自然就會出現了。

還有一個問題，如果宇宙中不存在極限速度，常數c是無窮大，結果會怎么樣呢？

所有的物質將不復存在，結果就是我們的宇宙也就不會出現。為什么？因為無窮大意味著需要無窮的能量才能度量質量，才能出現有質量的物質。

同時也意味著我們的宇宙中（假設存在）充滿了各種無質量的粒子，它們以無限的速度飛行，時間膨脹效應和尺縮效應達到了極致。

結果就是：時間和空間概念也不復存在，當然也沒有了因果關系，宇宙中存在的只有“此時此刻”，只有“現在”，沒有過去和未來。

而這樣的宇宙最終將會呈現一個無窮小的量，這是相當矛盾的情形。而這種矛盾也告訴我們：無限速度是不可能存在的，宇宙必須存在一個速度極限。