1905年,爱因斯坦创立狭义相对论,他指出,光不是靠介质传播的,光可以以恒定的速度在真空中传播,这是宇宙中所有物体能达到的最大速度,光速。
我们现在已经精确测量了这个速度,299792458米/秒,一般取300000Km/s。
为什么宇宙会有一个最高速度的限制?为什么光速不是无限的呢?如果光速是无限的,宇宙会是什么样的呢?
宇宙中光速的物理意义在于,它是信息流动速度的上限,它与因果关系、宇宙的区域性密不可分。
光速上限与区域性
宇宙的区域性意味着,由于信息传递速度有它的上限,如果你与某个物体相隔一段距离,你无法立即知道关于该物体发生的任何事情。关于这个物体的任何信息只能在有限的时间内传递给你,这段时间是信息从那个物体传到你这里所需的时间。
因为光速是有限的,所以当我们观察距离我们很远的星系时,他们现在照射到我们眼中的光是该星系在很久以前就已经发出的。
例如,距离太阳系最近的恒星是比邻星。它所发出的光会向各个方向传播,从而形成一个不断扩大的圆圈,它发出的光需要大约四年时间才能到达地球。因此,我们现在看到的光大约在四年前就离开了比邻星,而在这四年里,比邻星可能发生了一些灾难性的事件,但我们地球上的人类,直到四年后才会知道。
比邻星
可以想象一下,如果光速的上限没有限制,那么信息就能够瞬间从宇宙的一个位置传递到另一个位置,这意味着宇宙中任何地点发生的事件都能影响到其他所有地点。例如,宇宙中任何时刻可能都有100万个超新星在数千亿公里之外的空间中爆炸,它们可能会瞬间杀死我们地球上的所有生物。因为光速的无上限,导致我们在地球上会同时经历这些事件,这就不会有所谓的区域性的限制了。
超新星爆炸
区域性是指宇宙中的物体只受到他们直接周围环境的影响,而不是被宇宙在各处的一切所影响。光速上限的限制,避免了这一点。
光速上限与因果关系
因果关系也与光速相关。所谓因果关系,是说如果事件a导致了事件b的发生,那么这就说明事件a和事件b存在因果关系。但是,如果a和b是在某个空间中,两个不同地点同时发生的两个事件,那么他们就不能有因果联系,因为他们连基本的前后顺序都不存在。
但如果光速是无限的,因果关系就将不复存在。例如事件a导致了事件b,那么一个观察者,肯定是确定了是a导致了b,事件传递到观察者眼中的时间有先后顺序,宇宙中事件的排序是通过时间的向前流动来衡量的。在一个光速无限的宇宙中,观察者将无法就事件的排序达成一致,由于光速无上限,两个接近同时发生的事可以接近同时到达观察者的眼中。因此也就没有了事件的前后关系,也就没有了因果关系的一致性。
在一个光速无限的宇宙中,我们将失去对宇宙历史的感知,宇宙中任何地点的光都会即刻到达我们眼中,我们会看到宇宙在当前时刻的样子,夜空会完全亮起,因为我们会同时看到宇宙中所有恒星的所有光。
因此,在一个事物之间没有因果联系,由于光速无上限导致局域性不存在的宇宙中,一切都会完全不同。
光速上限与物体质量
无限速度的光还会带来一个更为根本的问题。假设爱因斯坦的相对论仍然适用,且质能方程E=mc²依然正确,这将意味着我们所处的是一个没有质量、全是能量的宇宙。为什么会这样呢?
根据质能方程,m=E/c²,其中m代表物体的质量,c的值越高,意味着创造质量所需的能量就越多。如果宇宙的能量是有限的,这意味着接近无限大的光速值将导致无法创造任何质量。因此,我们所知的宇宙以及我们所知的生命都将不会存在。
当然,质能方程E=mc²是基于爱因斯坦的相对论,该理论的核心思想是光速在所有参考系中都是恒定且有限的。如果我们生活在一个光速无限的宇宙中,相对论将不再适用,基于这个方程式推导出宇宙没有质量的结论可能也不成立。