爱因斯坦在狭义相对论中约定了光速不变原则,大概意思是说,光速在任意惯性参考系中均为一个常数。这样设定是因为光速不仅是空间中的最快速度,在时间中也是最快速度。这是为什么呢?不考虑时间因素的情况下,我们处于一个三维空间。在宇宙中,任何物质和能量的运动都需要符合单维度,双维度或者三维度的运动。比如物体的移动方式就是单维度的线性运动,行星的公转,航天器的飞行等,运动的轨迹都是一条弯曲的线性轨道。
这种运动需要输入动能改变物体的惯性状态,由于其被质能规则限制,输入能量的同时质量会不断增加,导致物体的加速度下降,最终只能保持较低的惯性速度。所以任何有质量的物体速度都无法达到光速,甚至无法达到较快的速度。我们可以得出这样的结论,一维的线性运动只能低速运行,无法达到光速。更快的速度只有质量极小的微观粒子和能量可以达到,具有波粒二象性的电子,质子等量子级别的物质能以接近光速的状态移动。原因不仅是其质量微小,主要原因是量子级别的粒子能够在粒子和波之间的状态来回转换。光速需要没有静质量的光子才能达到,比如各种波段的电磁波,可见光等。波的传播状态与一维的线性移动有本质区别,其传播规律与水波一样,都是一种能量对介质的震动。
所以波的速度虽然快,但在空间中震动会损失能量,造成能量衰减。双缝干涉实验告诉我们一个真相,哪怕只是单个粒子的运动,只要以波的形式移动也是一种二维波,因为在双缝干涉实验中单个粒子也能产生波的干涉现象。那么波的传播方式就可以被认为是一种球面形式的二维运动,同时也意味着,光速就是二维运动的最高速度。那么按这样的逻辑来看,三维的速度一定超过二维的速度,真相是这样吗?是的,目前人类观测到宇宙正在膨胀,且膨胀速度早已超过光速。
根据哈勃红移现象,距离地球越远的星系远离速度越快,由于星系的辐射只能以光速向地球传播,所以可观测宇宙边缘上的星系的光再也无法传播到地球,它们正以超光速的状态从人类的视角上丢失。宇宙膨胀可以看成是三维的速度,也是宇宙中超越二维波速度的唯一方式。并且,这种速度可以突破光速不变的限制,在不同参考系中可以对光速进行叠加或者相减。以此类推,四维空间将具有更快的速度,那么从三维的视角去看四维的速度会是什么样呢?实际上,科幻中的曲速引擎,时空之门,时空跃迁等,都与三维之外的第四维度有关。
也就是说,在三维中看来,一维处于低速,二维达到光速,三维能够超光速,那么四维就会与瞬间移动拥有一样的效果。这就是不同维度的不同速度,更高维度的时空中就会拥有更快的速度。
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