1905年,愛因斯坦創立狹義相對論,他指出,光不是靠介質傳播的,光可以以恆定的速度在真空中傳播,這是宇宙中所有物體能達到的最大速度,光速。
我們現在已經精確測量了這個速度,299792458米/秒,一般取300000Km/s。
為什麼宇宙會有一個最高速度的限制?為什麼光速不是無限的呢?如果光速是無限的,宇宙會是什麼樣的呢?
宇宙中光速的物理意義在於,它是信息流動速度的上限,它與因果關係、宇宙的區域性密不可分。
光速上限與區域性
宇宙的區域性意味著,由於信息傳遞速度有它的上限,如果你與某個物體相隔一段距離,你無法立即知道關於該物體發生的任何事情。關於這個物體的任何信息只能在有限的時間內傳遞給你,這段時間是信息從那個物體傳到你這裡所需的時間。
因為光速是有限的,所以當我們觀察距離我們很遠的星系時,他們現在照射到我們眼中的光是該星系在很久以前就已經發出的。
例如,距離太陽系最近的恆星是比鄰星。它所發出的光會向各個方向傳播,從而形成一個不斷擴大的圓圈,它發出的光需要大約四年時間才能到達地球。因此,我們現在看到的光大約在四年前就離開了比鄰星,而在這四年裡,比鄰星可能發生了一些災難性的事件,但我們地球上的人類,直到四年後才會知道。
比鄰星
可以想象一下,如果光速的上限沒有限制,那麼信息就能夠瞬間從宇宙的一個位置傳遞到另一個位置,這意味著宇宙中任何地點發生的事件都能影響到其他所有地點。例如,宇宙中任何時刻可能都有100萬個超新星在數千億公里之外的空間中爆炸,它們可能會瞬間殺死我們地球上的所有生物。因為光速的無上限,導致我們在地球上會同時經歷這些事件,這就不會有所謂的區域性的限制了。
超新星爆炸
區域性是指宇宙中的物體只受到他們直接周圍環境的影響,而不是被宇宙在各處的一切所影響。光速上限的限制,避免了這一點。
光速上限與因果關係
因果關係也與光速相關。所謂因果關係,是說如果事件a導致了事件b的發生,那麼這就說明事件a和事件b存在因果關係。但是,如果a和b是在某個空間中,兩個不同地點同時發生的兩個事件,那麼他們就不能有因果聯繫,因為他們連基本的前後順序都不存在。
但如果光速是無限的,因果關係就將不復存在。例如事件a導致了事件b,那麼一個觀察者,肯定是確定了是a導致了b,事件傳遞到觀察者眼中的時間有先後順序,宇宙中事件的排序是通過時間的向前流動來衡量的。在一個光速無限的宇宙中,觀察者將無法就事件的排序達成一致,由於光速無上限,兩個接近同時發生的事可以接近同時到達觀察者的眼中。因此也就沒有了事件的前後關係,也就沒有了因果關係的一致性。
在一個光速無限的宇宙中,我們將失去對宇宙歷史的感知,宇宙中任何地點的光都會即刻到達我們眼中,我們會看到宇宙在當前時刻的樣子,夜空會完全亮起,因為我們會同時看到宇宙中所有恆星的所有光。
因此,在一個事物之間沒有因果聯繫,由於光速無上限導致局域性不存在的宇宙中,一切都會完全不同。
光速上限與物體質量
無限速度的光還會帶來一個更為根本的問題。假設愛因斯坦的相對論仍然適用,且質能方程E=mc²依然正確,這將意味著我們所處的是一個沒有質量、全是能量的宇宙。為什麼會這樣呢?
根據質能方程,m=E/c²,其中m代表物體的質量,c的值越高,意味著創造質量所需的能量就越多。如果宇宙的能量是有限的,這意味著接近無限大的光速值將導致無法創造任何質量。因此,我們所知的宇宙以及我們所知的生命都將不會存在。
當然,質能方程E=mc²是基於愛因斯坦的相對論,該理論的核心思想是光速在所有參考系中都是恆定且有限的。如果我們生活在一個光速無限的宇宙中,相對論將不再適用,基於這個方程式推導出宇宙沒有質量的結論可能也不成立。