深度长文：如果光速是无限的，万物将不复存在！（建议收藏）|伽利略|宇宙|洛伦兹|深度长文|牛顿|狭义相对论|磁场|麦克斯韦

光，是一个很特别的东西。每天一睁眼，我们就能感受到光的存在，它在我们身边无处不在，但光到底是什么？

千百年来，人们一直在追寻这个问题的答案，毫不夸张地说，人类科学发展史就是对光本质的探索史。但直到目前，科学家也没有完全弄清楚光的本质。

光最突出的一个特点就是，在真空中光的速度保持每秒30万公里不变，而且不管在任何参照系下观察，都是如此，并且大自然禁止任何物体的速度超越光速。

同时，光速没有相对性，因为光速是绝对的，这意味着不同运动状态下，观察到的光速都是一样的，这也是光速不变原理。比如说，你驾驶一辆小汽车在大街上行驶，我静止在地面上。汽车的车灯发出的光的速度是多少呢？

在你眼里，光的速度是光速，这很好理解。而在我眼里，车灯发出的光的速度仍旧是光速，而不是光速加上汽车的速度。哪怕汽车的速度无限接近光速，我看到车灯发出的光的速度仍旧是光速。

光速为何如此特殊？大自然为何要限制光速呢？

事实上，大自然并不会刻意限制光速，时空本身一点也不在乎光到底是如何运动的。但为什么看起来宇宙就在限制光速呢？

其实限制光速的背后大有玄机，因为光速是因果律传递的速度。不过还有问题，我们都知道，因果律连接的事件顺序是所有观察者都同意的，但是为何因果传递速度会有上限呢？为何这个上限速度又正好等于光速？

为了更好地理解上述问题，我们需要吸纳了解一个原理“相对性原理”。

17世纪，著名物理学家伽利略明确支持哥白尼关于“地球不是宇宙中心”的思想，其实他还有另外一个很重要的思想，也就是“相对性原理”。当然，这个相对性原理并不是爱因斯坦的相对论，而是相对论的核心思想之一，也可以认为是狭义相对论诞生的理论基础。

由于时代性的限制，伽利略并没有高度浓缩何为“相对性原理”，他提出“地球和宇宙中的其他任何地点都不是特殊的，同时也没有任何速度是特殊的”。换言之，伽利略的意思其实就是想表达：在所有惯性系中，任何实验结果都是相同的，实验结果不会因为惯性系的改变而发生变化。

相对性原理在如今我们的时代看起来很简单，很容易想到，但在四百年前的伽利略时代，能总结出相对论原理这种思想是很伟大的，而这个原理之后也被牛顿纳入牛顿力学运动体系当中。

到这里一切看起来并没有什么问题，风平浪静，直到另一位伟大的物理学家，麦克斯韦的出现，再次在物理学界掀起了波澜。

麦克斯韦统一了电和磁，让我们一窥电和磁的奥秘。作为物理学界的一代宗师，麦克斯韦用优雅简洁的麦克斯韦方程组，描述了所有的电磁现象。

时间来到了19世纪末，随着牛顿力学体系和麦克斯韦方程组的建立，当时所有的物理学界大佬都认为人类物理学大厦已经建造完毕，剩下的只需要小修小补就可以了，人类看起来已经触摸到了大自然的终极奥秘。

但是在物理学界大佬进行计算的过程中，发现了一些怪异现象，让他们惴惴不安。

他们发现牛顿力学体系，准确地说是伽利略相对性原理，与麦克斯韦方程组之间似乎有矛盾存在。因为在牛顿力学体系下，暗示着光速是无限的，果真如此的话，那将意味着物质和时空都不复存在了。

为什么会这么说？一起来做个思想实验。

想象一下，一辆火车在高速行驶，你在火车的车厢里奔跑，假设你是带电荷的，先别抬杠你到底是怎么带电荷的，这里只是假设。

由于移动的电荷会产生磁场，那么奔跑的你自然会产生磁场，这很好理解。利用麦克斯韦方程组，我就可以计算出你产生磁场的强度，计算的过程势必会用到在我眼里你奔跑的速度。

但是你奔跑的速度到底是多少呢？利用伽利略相对性原理和牛顿力学体系，你奔跑的速度应该等于火车速度加上你自身的速度，这就是简单的速度叠加。

但是如果火车本身也有意识呢？如果我们假设火车就是某个巨大的智慧生命体，在火车的意识里，猴子的速度只是猴子自身奔跑的速度而已，并不是加上火车行驶的速度。如此一来，利用麦克斯韦方程组计算出来的磁场强度就会完全不同。

那么我和火车到底谁才是对的呢？谁测量出来的磁场强度才是你真正的磁场强度呢？毕竟无论你的磁场强度是多少，肯定是唯一的，你不可能有两个磁场强度。

其实，问题的关键并不是测量到的磁场强度，而是磁场带来的效应。说白了，关键在于通过磁场产生的力。磁场强度是多少并不重要，重要的是我和火车观察到的力是一样的。

为什么会有这样的结果？

因为磁场和电场之间有一种关于速度的转换。通俗来讲就是，磁场和电场可以共同协作，最终的目的就是让不同参照系下观测到一致的电磁力，或者说洛伦兹力。

所以，问题的关键就在于这个转换过程：到底是如何转换的。这问题可以引领我们进行更深层的思考：速度和时空之间的关系。

而这个转换过程，可以让麦克斯韦方程组在不同参照系下做到无缝连接，而转换本身才是这个世界的真实写照。说白了，转换本身就像一根魔法棒，可以指挥我们在不同的时空视角下，转换到不同的参照系或者坐标系。

那么，到底是什么样的转换呢？

其实文章一开始所说的伽利略变化就是其中之一，简单来讲就是速度叠加。伽利略变换很简单，符合我们的日常生活经验认知，而且速度叠加过程与时间空间没有任何关系。

而这种简单的转换，也因此被牛顿纳入了他的力学体系当中。问题就在于，麦克斯韦方程组在伽利略变换下，计算出来的结果是不一致的。更严谨来讲，在低速情况下，计算出来的电磁力基本正确，但是如果速度很高，就不是那回事了。难道麦克斯韦方程组错了吗？

非也！其实伽利略变换是错的，或者说是有局限性的，也意味着牛顿力学体系其实是有局限性的，在高速状态下需要用到洛伦兹变换。当然，从伽利略变换到洛伦兹变换的发展过程是漫长的，复杂的，不是简单的一句话就能描述的，详细过程就不再啰嗦了，毕竟与我们今天讨论的问题关系不太大。

洛伦兹变换是由著名物理学家洛伦兹提出来的，比爱因斯坦的相对论更早，后来也成为爱因斯坦狭义相对论的基本核心公式之一。这也是为什么很多人为洛伦兹感到遗憾，其实当时洛伦兹已经无限接近狭义相对论了，但就差最后那一层窗户纸始终没有捅破，最终与狭义相对论失之交臂。

好像有点跑题了。话说回来，爱因斯坦发现洛伦兹变换有更深的含义，代表着空间与时间的连接关系，因此也预测到了因果传递的速度，正是光速。

推导过程其实也并不复杂，简单来讲，就是利用洛伦兹变换和光速不变进行推导变换。具体来讲，可以这样通俗理解。

我假装并不知道速度是可以叠加的，还拿上面你在火车上奔跑的例子来说明。

首先我并不知道你的速度是否等于你自身奔跑的速度加上火车的速度。

其次，没有任何坐标系也就是参照系是优先的，任何的坐标系都是平等的。也就是说，物理定理与坐标系的方向，速度，位置等都没有任何关系。不管你在哪里，如何奔跑，奔跑的速度有多快，这些都不重要。其实这一点很好理解，毕竟在我们的日常生活中，运动无处不在，不仅仅地球上的我们每天在地球上运动，地球也时刻在围绕太阳运动，太阳围绕银河系中心运动。坐标系的位置，速度和方向等时刻在变化，但是人类做的实验结果根本不会受到任何影响。

这就意味着，我可以利用不同坐标系之间的转换，这种转换需要在你和火车所在坐标系之间运用自如，我要做的事情很简单，只需要代入不同的速度就可以了。也就是说，利用某种转换，我就可以在不同的多个坐标系之间随意切换，而不用再去关心速度的问题。

也就是说，你所在的坐标系完全可以转换到火车的坐标系，反之当然也可以。其实这种转换就是刚才所说的洛伦兹转换。

在洛伦兹转换中，光速C是唯一参数，而正是通过这个参数，洛伦兹预测了宇宙中速度上限的存在。而伽利略转换其实就是洛伦兹转换的特例罢了，也就是当光速C是无限状态下的特例。

纯理论上讲，光速C确实有可能是无限的，但基于某些与光无关的因素，光速C不可能是无限的。

洛伦兹转换暗示着，大自然法则在所有坐标系都是通用的，也再次证明了洛伦兹变换才是对现实世界的真实正确描述。不过洛伦兹转换中的光速C必须是一个特殊的常数才可以，这个常数也体现在麦克斯韦方程组中。

这就是意味着，如果想要麦克斯韦的电磁理论成立，宇宙中的速度必定是有上限的，即便不考虑光速也应该如此。

而计算结果表明，限制宇宙速度的常数，刚好就是电磁波的速度，也就是光速C。光速是因果律传递的速度，也代表了信息的传播速度上限，同时光速也是任何没有静质量物体的最高运动速度。如今我们知道，这并不是巧合，而是必然。

说白了，不仅仅是光子本身，还有胶子，它们的静质量都是零，所以都必须以最高限速光速飞行。其实，质量就是物体运动速度的障碍，没有质量就意味着没有了任何障碍，没有任何速度，结果就是以光速飞行。而拥有了质量，就相当于被束缚住了，当然不能以光速飞行。

而正是对于洛伦兹转换的深刻解读，让爱因斯坦触摸到了狭义相对论，还有时间膨胀公式，尺缩效应公式，质增公式，质能等价公式等。

一个终极问题，如果宇宙没有速度限制，也就是如果光速是无限的，会怎么样呢？

万物将不复存在。为什么？

因为光速无限意味着，我们需要无限多的能量才能创造出质量，创造出基本粒子。想想看，没有静质量的物体都以光速飞行，而光速是无限的，这意味着时间膨胀效应和尺缩效应将是无限的，于是时空本身就不存在了。最基本的因果律也不可能存在，因为不管相距多远，都能实现瞬时沟通。