深度长文：为什么宇宙会限制速度的极限值为光速？（超3000字建议收藏）

光速和超光速，是我以往科普工作中无论如何都避免不了的问题，也是很多伙伴们非常关心，热衷于讨论的问题。

对于光速，目前有两个共识：

第一，光在真空中的速度恒定为每秒30万公里。

第二，光速是宇宙万物的极限速度。

但是，如果对光速的认知仅仅停留在以上两个方面，显然是不够的。还有一个更大的问题是：宇宙真的限制了速度的极限值为光速？

答案是否定的。事实上，宇宙并没有限定光速为速度的极限值，对于大自然来讲，它一点也不在乎速度是否超过光速。

这也说明了一点：所谓的“光速限制”，其实背后有更深刻的含义，并不是字面意思表达出来的那样。简单来讲，宇宙中的速度极限为光速，这个速度其实就是“因果关系”的速度。

下面来具体分析一下光速与因果之间的关系。

在我们的现实生活中，因果关系非常重要，它是所有人都认同的唯一时间顺序。但问题就在于，因果关系为什么有一个极限速度，而且这个速度刚好等于光速呢？

要想弄清楚这个问题，我们需要穿梭到几百年前的世界，穿越到伽利略和牛顿时代。几百年前，伽利略曾提出过一个著名的原理：相对性原理。

这个原理其实很简单，在我们日常生活中都能感受到，简单理解是这样的：不管在宇宙中的任何地方，速度其实都没有特别的形式。通俗理解就是：在惯性系，也就是静止或者匀速直线运动参照系中，物理定律都呈现相同形式，所有的物理实验结果都是相同的。

也就是说，在惯性系中，任何实验都不能区分静止还是运动直线运动。

最简单的例子其实经常出现在我们身边。比如说，火车做匀速直线运动，你在火车上，如果假设火车不会发出声音，闭上眼睛的你根本无法感知到自己是在运动的火车上，你的感受与静止在地面上的感受没有任何区别。

伽利略相对性原理看起来很简单，很容易理解，但不要以我们如今的眼光看到几百年前的伽利略时代，在那个时代能提出相对性原理着实不简单。伽利略提出相对性原理足够伟大，也很耀眼，以至于后来的牛顿也把相对论原理纳入了他的力学体系当中。

当时的物理学界对于光速的认知并不像现在这么深入。在相对性原理和牛顿力学体系下，其实有一种暗示：光速是无限的。而光速无限意味着时间空间和物质都将不复存在，显然“光速无限”是有瑕疵的。

更重要的一点，牛顿之后另一位伟大的物理学家麦克斯韦，提出了麦克斯韦方程组，由此也引发了另一个无法回避的问题。

具体什么问题呢？让我们来举例说明。

假设有这么一匹会轮滑的小马，还有一只会滑板的猴子。猴子在小马的背上玩滑板，同时假设猴子是带电的，而小马在地面上玩轮滑。

我们都知道，带电粒子的运动可以产生磁场，那么猴子玩轮滑时自然会产生磁场。

这个磁场强度在我们看来有多强呢？根据麦克斯韦方程组就能计算出来，这个强度与我们观测到的猴子的速度息息相关。

但猴子的速度到底是多少呢？

伽利略和牛顿的答案是：猴子速度等于小马的速度加上猴子在马背上的滑板速度。这个很好理解，就是相对速度的叠加。

但问题来了，如果这匹小马足够聪明，聪明到也能运用麦克斯韦方程组计算磁场强度，结果会怎么样呢？

在小马看来，猴子的速度只是滑板本身的运动速度，与我们观测到的猴子速度并不一样，所以小马计算出来的磁场强度与我们计算出来的强度不同。

那么，到底谁对谁错呢？磁场强度到底应该是多少呢？

如果被这种思维方式左右，结果只能是越陷越深，最终完全走进死胡同。我们应该明白，问题的关键其实不在于我们观测到的对象，而在于观测对象产生的效应！

也就是说，我们测量的表面看起来是磁场本身，其实不是的，我们测量的是磁场产生的效应，说白了就是力。

结果就是：小马测量到的力与我们测量到的力是一样的，并不会产生任何矛盾的结果。

实际上这就意味着，在磁场和电场之间，一定存在一个与速度相关的转换，电场和磁场的相互作用产生了一个与参照系无关的力，也就是洛伦兹力。

同时，这个结果也告诉了我们：看似简单的电磁力，其实是速度与时间空间之间相互关系的重要线索。

那么，速度与时间和空间三者之间到底有什么联系呢？

说白了，就是通过一种特殊的变换来实现，这种变换可以让我们在不同的参照系之间来回跳跃，最典型的例子就是刚才所讲的伽利略变换，也是很简单的变换，说白了就是速度叠加，这个变换背后的本质就是“时间和空间是绝对的”，时间和空间与速度没有任何关系。

而牛顿力学体系就是以绝对时空观为背景的。

当我们把伽利略变换应用到麦克斯韦方程组中，会发现我们根本无法得到结果一致的麦克斯韦方程组。也就是说，在伽利略变换下，得到的结果竟然是会变化的。

只是在低速情况下，麦克斯韦方程组在伽利略变换下可以计算出正确的力值，但是得到的磁场和电场会很混乱。

而在高速情况下，结果就会误差很大。

难道麦克斯韦方程组错了吗？并不是的，是伽利略变换错了，或者说“伽利略变换的适用范围有限”。

我们需要用更具普适性的变换来代替伽利略变换，它就是洛伦兹变换，这个变换早在爱因斯坦提出相对论之前就被发现了。

不过，爱因斯坦通过洛伦兹变换告诉世人时间和空间是如何交织在一起的，同时也预言了因果关系的速度。

我们可以通过预设光速为常数，来推导出洛伦兹变换。不过即便是我们暂时忘记光速，同样可以理解洛伦兹变换。

还拿上面小马与猴子的运动来举例说明。

假设我们不知道猴子的速度等于猴子滑板的速度加上小马自身的速度，之所以做这样的假设，就是为了突出“任何惯性系都不是优先的”。物理定律在宇宙任何地方都具有相同形式，与小马和猴子的运动速度，位置，方向都没有关系。

说白了，物理定律是普适的。

这一点很容易理解。想想看，地球自身在运动，同时也围绕着太阳公转，而太阳围绕着银河系运行，无论是位置，速度方向都会有非常复杂的变化。

但不管怎么变化， 都不会对我们在地球上的实验结果有任何影响，甚至我们在火星或者星球上的实验结果也是相同的。

这也就意味着，我们当然可以在不同的参照系之间进行一致的变换，通过使用不同的速度，完全可以利用这种变换进入到小马和猴子的参照系。

当然我们也可以在不同的参照系中来回跳跃，然后只需要在速度前面加上一个负号，就可以退回到我们自己的参照系。最后，再利用一些简单的数学计算，就可以得到洛伦兹变换，整个过程并不复杂。

而洛伦兹变换，是目前为止唯一能满足宇宙对称性，自洽性和相对性的变换，当然能描述我们的现实世界。

通过洛伦兹变换可以看出，变换中存在一个参数c，而通过这个参数就可以预测宇宙的速度极限。

而一开始提到的伽利略变换，其实只是常数c无穷大时的一个特例罢了。从洛伦兹变换公式中可以看出，当c趋于无穷大时，公式就简化为伽利略变换。

其实，单单从相对性和对称性层面来讲，c是可以无穷大的，但从其他层面来讲，即便我们不考虑光本身，c也不可能是无穷大的，它必须具有特定值，而且这个数值必须也是麦克斯韦方程组中基本常数的一个组合。

也就是说，为了使麦克斯韦方程组成立，宇宙的最大速度就必须是有限的。

而宇宙的这个极限速度常数，也正好是电磁波传播的速度，也就是光速，c正好就是光速，这并非是巧合，而是必然。

不过这个常数c在一开始其实就是因果关系的速度，也是宇宙中任何两点之间信息传播的最大速度。也正因为如此，也预示着常数c是任何无质量粒子的唯一运动速度。

光子，胶子还有引力波都没有质量，所以它们的速度就是光速，必须以光速飞行，而且一出生就是光速，没有任何加速过程。

说白了，质量对于运动速度来讲，完全就是累赘。没有质量，就意味着没有了任何累赘，完全可以尽情地飞行，以最快速度飞行，这个速度就是光速。

这也表明了一点，正是因为时间，空间和质量的存在，才导致了我们的宇宙速度极限必定是收敛的，而不是无限的。

而洛伦兹变换其实也是爱因斯坦提出相对论公式的基础之一，比如说时间膨胀公式，尺缩效应公式，还有质能公式等等。

一旦我们理解了洛伦兹变换对于时间和空间关系的描述，其实这些公式自然就会出现了。

还有一个问题，如果宇宙中不存在极限速度，常数c是无穷大，结果会怎么样呢？

所有的物质将不复存在，结果就是我们的宇宙也就不会出现。为什么？因为无穷大意味着需要无穷的能量才能度量质量，才能出现有质量的物质。

同时也意味着我们的宇宙中（假设存在）充满了各种无质量的粒子，它们以无限的速度飞行，时间膨胀效应和尺缩效应达到了极致。

结果就是：时间和空间概念也不复存在，当然也没有了因果关系，宇宙中存在的只有“此时此刻”，只有“现在”，没有过去和未来。

而这样的宇宙最终将会呈现一个无穷小的量，这是相当矛盾的情形。而这种矛盾也告诉我们：无限速度是不可能存在的，宇宙必须存在一个速度极限。