为什么我们的世界存在速度限制（真空光速）？ 第1页

在三维空间中确实存在一个速度上限，但是相对论揭示了空间并非独立于时间而存在，二者是契合的整体，如同你永远无法把一个物体的高度属性排除在外一般。如果把时间维度添加进来，那就不存在什么所谓的速度上限，而是所有的事物均以恒定的速度在时空中运动。

这个恒定的速度就是我们熟知的光速C。

大家没有看错，在四维的时空中，任何物体，包括正坐在电脑屏幕前的我们都在以光速向前奔驰。虽然你静止在空间中，没有任何运动，但是你的时间正以恒定的速度无可避免的流逝，相对你而言，街上正在行驶的汽车，天上航行的飞机里的乘客在空间中运动，他们的时间流逝的速度会略微放缓，而宇宙中空间运动速度最快的光子在时间维度则是永恒静止的，也就是说它们是长生不老的。常数C其实是万物在时间和空间两个维度运动速度之和。

从这个角度来看，空间与时间只不过是不同的方向罢了，如同上下与左右，X轴与Y轴的关系。光速C在时间坐标轴与空间坐标轴的分量之间的换算公式就是我们熟知的洛仑兹变换。

那么为什么宇宙时空会存在一个固定的速度C，这个目前谁也无法给出满意的答案，不过大家倾向于认为光速C很可能不是一个物理常量而是个数学常数，如同二维平面三角形内角和为180°，圆周率恒定为π一般，是四维时空几何结构内禀的属性。

其他回答

答不上来是能力不足，但这样的好问题是被需要的。

很多回答只是直接地说“这是实验的结果”时要意识到，这应该是只是一种无可奈何时的态度。而对于这种问题还是要往探索性的方向回答比较好罢，如果让人以为“不求甚解并非是能力不足，而是应当这样”，这就是误导了。

我也抱着相同的疑惑过，自己探索了一番后，现在姑且能给自己一个满意的答案，我尽量给一个题主能看懂的回答。评论我会在能力范围内尽可能回复，剩下的还是等真大神出面罢，有能力的也可以直接去看文小刚的量子多体理论。

我可以发誓：这是一个符合直观的图景，这篇文章不是直接甩给你“这玩意是实验结果”并不断复读，而是引入一些符合直观的前提，自然地导出这个看上去反直觉的结论。本文不会出现数学公式，这并不是一个需要公式才能讲清楚的事情，只是个物理图景的问题。

PS:其实懂了量子场论或者在做凝聚态物理的人应该都可以回过头来认真写写这个东西。（当然不是说题主非要学了这些才能理解，不需要的，你想要的只是理解图景，那是很容易的，麻烦的在于学各种能达到目的的计算工具，而这里不需要），个人觉得如果一开始把这样的图景写入狭义相对论的教材的话效果会好很多，不过或许是因为还有一些争议性罢，现在并没有。所以看这篇文章也权当启发性地看罢。毕竟还有一定争议。

本文很多内容参考自豆瓣物理组组长的日记

这个日记的评论下有这么一段话

密度波的波动方程满足以声速作为极限速度的相对论协变性。如果我们活在一个流体里面，所有的粒子都是流体里面的激发，我们就会以为我们宇宙的极限速度是声速。而且我们会建立以声速来定义的时空观，比如时钟是靠声子而不是光子的折返来定义的。在这样的时空观里，声速就取代光速，变成了对所有惯性系都保持不变的速度了。而整个理论具有声速定义的相对论协变性。

有一定物理直觉的可能可以猜出个大概。那就可以到此为止了。试着自己继续想下去，感觉合适了再看后面的。

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题主可否知道“以太”？

曾经的人们认为电磁波只不过是一种机械波，而以太就是这个机械波的介质。那个时候，人们对于电磁学的物理图景是这样：所谓的电磁学应当是一种流体上自然会有的现象。

ps：麦克斯韦在创建电磁学时也是从流体力学里搬了不少概念，又根据需要自己造了一些概念。

不过后来人们做了个迈克尔莫雷实验，实验表明，以太似乎不存在。

实验说白了就是如果我们在这个液体里，那么我们相对于这个液体运动的话，应该和静止的时候测得这个液体的机械波的速度不一样。

于是人们就只好假装电磁波不需要介质了一段时间，把电磁波和一般的机械波分开对待了一段时间，整个电磁学的图景也拆成了一堆乱七八糟的物理认识。

不过后来出现了量子场论，这时你可以说这个介质又回来了。不过比起以前增加了一些功能——以前我们只是认为电子是这种流体介质上的震动现象，现在我们认为任何基本粒子都是这种流体介质上的震动现象。

这里就引出了一句量子场论里的名言——“物质是场的激发”。

有的基本粒子可能是这个流体上的涡旋，有的基本粒子可能是这个流体上的别的什么结构，而具体研究什么结构意味着什么粒子的人，就是搞弦网凝聚和拓扑序的文小刚那群人了。

总结一下：

人们对于“这个背景流体”的认识从以前以为是：

水和鱼的关系

变成了

水和水上的漩涡啊震动啊各种图案现象的关系

这个时候“震动图案”和所谓的“物质”只是同一种东西不同视角的称呼了，我们认为一个东西是物质，只不过是因为他和我们同处在一个背景流体下的激发，我们认为一个东西是图案现象，只不过是因为他是“我们认为是物质”的东西构成的流体上的激发。就如同“上”、“下”这样的方位介词一般。

这里就引出了演生论的思想，即到底是粒子还是准粒子只是视角问题，一种物质层次下的基本粒子，可以是更微观层次上的准粒子。

设想，如果有建立在水这个流体上的文明，我们认为是图案现象的东西对他们而言也是物质了。他们会把基础的漩涡当作电子，会把水中的声波当成电磁波，会把水流速度当成电场，会把水流密度当成磁场，会把“流体流动导致密度积累，密度积累催动新的流动的过程”当成电磁场交互激发的过程。（注意，这里只是想说整个电磁学相关的现象可以视为一种“流体上自然会有的效果”。但实际上这里的类比仅适用于二维流体，现实中的电子具体是怎样演生的是另一个问题。）

我甚至可以说出对于这个水上的文明的钟慢效应对于我们来说是啥。不过这里需要扯开了讲一讲，因为钟慢效应里有一些与我们日常所用的称呼相同但定义有微妙不同的东西，当你重新审视了一些物理量的定义的来源后，你会发现之所以大多人思考不出来，是因为人们对于某些东西用惯了后当成一种方便的技巧逐渐忘记原本的定义。而并不是想出来的人多么天才地发明了什么新东西。

（简直就好像前人写的代码遇到了bug，一群人都不拆开看源码而是临时写个东西盖过去，然后一个勇士去拆开读源码然后从根本上改了一样，可能物理也是这样罢，有些东西不是加多少新东西就可以的，而是要追根溯源弄清楚本质才能解决的）。

不过题主大可放心，这里同样不需要数学推导。公式计算只是万不得已的手段，能不依赖就不依赖。而这里正好还不需要依赖就能讲清楚。

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绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其它外界事物无关的流逝着，相对的、表观的和通常的时间是……通过运动来进行的量度，我们通常就用诸如小时、月、年等这种量度以代替真正的时间”。

出自牛顿的《原理》，实际上我们用的不是客观流逝的时间，只能以某个事物的运动周期为尺子，用他的周期来定义建立在他之上的时间。在牛顿力学里干脆忽略这两者的区别，假装我们用的就是客观的时间t，而狭义相对论里会明确区分这两者，并只讨论后者。

有灵感的可以停下来先想想，感觉合适了再看下文。

下文会通过站在介质外的视角，使用绝对时空观（具体说，是速度的可加性）导出狭义相对论的各种结论。

虽然他们是等价的描述，但是因为无需进行各种变换，许多现象或许都不会再被称之为佯谬，而只是现象而已。

（http://www.bilibili.com/video/av9988030

下文声子钟模型的讲解可能对你来说并不形象，如果的确是这样，可以翻回来看这个链接。看得时候只要把视频里的“光子”换成“声子”就可以了。）

背景流体上的机械波速度相对于背景流体保持不变。

水上的机械波速度相对于水这个背景流体不变。

背景流体上如果有什么图案现象在移动，机械波相对于图案的速度应该是机械波速与图案的速度差。

到目前为止都是经典的速度可加，重点是下面。

考虑一个声子钟系统，（光子钟是由两个平面镜和一个光子组成的系统，定义光子每在两面镜子间折返一次，时间就流逝一秒。

这里因为是水上演生出来的，于是给他换个马甲叫声子钟，无非是光子换成了声子，然后在两个对于声子来说是平面镜的东西中折返）

当声子钟移动时，声子本身的速度相对于背景流体不变，但声子钟整体在移动，声子所需走的路程变长了，于是完成一次折返因为路程变长需要花更长的时间。

声子钟所定义的1秒也就因此变长了。

当声子钟以声速移动时，声子只是追赶上平面镜就已经用尽了所有的速度，而没有余裕折返，他只能相对于平面镜保持相对静止，这时，在外人看来，他定义的1秒周期变得无限长了，他停止演化了。

所谓的钟慢就是这么简单一个事：路程变长，速度不变，于是花的时间变长。但钟本身又把这里所花的时间定义为1秒，于是他的秒长变长了。

这就是狭义相对论里所谓的“运动的物体会有钟慢效应”。

这里钟慢，慢的是这个钟根据自己的声子折返定义的时间，而不是客观的时间。

这就回到了开头说的，狭义相对论里讨论的时间都是这种“根据某种事情的周期定义出来的时间”，而不是客观流逝的时间。

而经典力学里，我们虽然知道我们只能用自己定义的时间，但我们可以忽略这个时钟与客观时间的误差，干脆当成客观的时间T来用，会方便很多，但也就止步于此了（导不出狭义相对论这么多好玩的结论）。

然后顺手就能导出光速不变原理的声子版。

因为定义时本身就是以“声子相对于他移动了一段平面镜间距的距离”来定义一秒的长度。

无论声子为了走完这段路程于旁人看来花了多久，在钟看来就是花了一秒（因为他就是这么定义的）。

于是无论声子钟以什么速度去运动，声子相对于他的速度总是被他定义为：平面镜间距除以他定义的1秒。

这是个恒定的值。

这就是所谓“无论你以怎样的速度移动，光速都对你来说都保持不变”的光速不变原理，把光子换成了声子的解释。

然后谈谈尺缩效应以及时空图。

先说尺缩效应。

移动的人的“秒长”会变长，他移动的距离不变。于是他应该觉得自己的速度（一秒移动的距离）增大了，毕竟只用了更少的秒数就完成了这段行程。

但是他感觉不到自己的“秒长”变长，于是他觉得不是自己的速度变了，是世界的长度变短了，所以才用了更少的秒数完成了行程。

（到这里我个人觉得狭义相对论里的很多奇怪的效应就是定义问题……在介质外看来看不到。得站在具体的视角去推才能感受到。找不到一个内蕴了这个效应的直观图景。

钟慢效应是在介质外能看到的，但尺缩效应是看不到的。运动导致的不是长度的变化，只是他的时钟变化，于是对于一米的长度定义发生变化，觉得路程变化。

）

最后是时空图，是时候重新审视一下所谓“四维时空、时空平权、时空是一体的、到了黑洞里时和空会交换”之类的说辞的含义了。

这部分待更新。但放个引子：

介质外视角是在用经典时空观，预设了一个客观恒定的时间概念，在预设了这样一个客观时间后来看待光子钟们的情况。

光子钟们根据自己的光子运动周期来定义一个给自己用的“主观时间”，谁运动了他的“周期长度”会有变化，就这样在绝对时空观下得生出了所谓“同时性被打破”。

时空图里用到的时间都是这个“主观时间”。各种等时线之类的技巧也是刻画这些主观时间的。

而这个主观时间，本质上是“光子相对于平面镜额外折返运动的距离。”

于是可以干脆把时空图的时间维换成“光子相对于平面镜额外折返运动的距离”。

当用折返距离取代时间长度时，对速度的定义就从［每秒移动多少米］变成了［光子每折返运动多少米，钟就运动多少米］。

于是量纲t就消失了，只剩下距离了。尽管如此，并不会对已有的框架造成影响，这只是把一个物理量用别的物理量来表示，就好像我们用路程除以时间l/t表示速度v一样，这并不会影响已有的框架的结构，但会获得一些新的理解方式。

这么一看，相对论里的“时空平权”其实是因为相对论里用的只是时间的表征，这个表征距离本身就是空间距离，只是换了个马甲管他叫时间。

（以下是给有学过狭义相对论的人的一点补充：

学过狭义相对论的人可能会意识到时空距离不变的物理意义其实是光子运动的总路程不变，或者说光速不变：时钟的加速运动会导致在位移轴的投影增加。体现为光速向量的模长不变的情况下进行旋转，在时间轴的投影就短了。

这里给出了个新视角：我们或许并不需要引入四维矢量以及一系列的四维概念，这第四个维度是我们根据光子的移动减去钟的移动得到的，等同于光子的折返运动。这是个三维空间内的东西。

如果把“时间分量加上空间分量得到物体在四维时空中的速度矢量”这句话的关键词替换一下，就变成：“光子相对于平面镜折返运动的向量”加上“钟本身的运动的向量”得到光子的向量。所谓的第四维时间轴干脆就变成三维空间内的东西，这就是一个三维内的向量合成。

于是运动的钟的四维矢量可以用钟内光子的三维矢量来表示。

没学过的不用太在意，这里只是解读一种常用的技巧

）

待更新

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如果接受了演生主义的图景，那么狭义相对论的各种结论就可以用经典的方式导出。里面的各种佯谬也会有一个经典的视角来看待（不需要用洛伦兹变换变来变去，最后只能说各种东西都被打破最后只能退而求其次找个绝对的不变量）。

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贴一些扩展阅读。

http://www. bilibili.com/video/av97 72251

这是一个量子场论图景的科普，几分钟讲清楚核心图景。

关于时间的定义简单说两句，我们其实没有必要用一个“中间变量”时间，而直接用一个运动与另一个运动比出速度。

回想一下，在定义速度时只是在拿光子走过的路程除以平面镜的距离，所有你以为是A(t)其实都是拿A(b)当A(t)用，其中A是你要量度的事情，b是诸如时钟周期这样看上去比较稳定于是可以当做时间来用的事情。搞量子引力的意识到这点后干脆就把时间的概念给删了。

https://www. zhihu.com/question/5535 1437/answer/150165816

扩展说点，无论是量子引力还是弦网凝聚，他们都只是不同出发点的一个尝试，其中有为了自圆其说而过于大胆的设定，也有确实可靠的动机推动的进展。

难以粗糙地分辨两个理论谁优谁劣，因为他们是一系列新设定的集合，但判断里面的具体某个设定对于某个应用是否好用是容易得多的。

就好像买电脑时无法分辨哪个牌子好，更多时会在意的是具体的某个硬件如何，如何四处拼凑出一台自己满意的电脑。不断在各种框架之间跳跃，选择合适的东西拿来用，不迷信任何一个牌子，这样才算是无偏见科研，理性对待科学。

回到时间的话题，相对论里用的“时间”概念都只是对“时间”的一个表征而已，不是客观恒定流逝的时间。

于是，当你讨论诸如时间倒流时间变虚等乱七八糟的时间相关的话题时要清楚，他没什么深刻的科幻含义，就只是表征而已，就算在这个框架内推导得出因为什么原因导致谁的时间倒流了，也只是这个表征方式发生了倒流，而不是客观恒定流逝的时间。他只是一段光子行驶的路程而已，与那个客观恒定的时间无关。

针对演生主义的科普我没有找到太好的，大多可能还不如看本文直接（如果有，望告知，我加上来），可能只能看各种旁敲侧击的东西来积累。

比如http://www.bilibili.com/video/av22482119

混乱博物馆的这一期视频结尾在表达这种图景。

顺便说一句，如果你接受了这个图景，那量子力学的就变成了一堆漩涡和震动们测量另一堆漩涡或震动时，用于处理自己的测量结果信息的理论。这里没什么打破经典观念的，只是你要接受物质都是介质上的震动现象这个前提，那你就可以站在介质外用经典的图景，像刻画水波们的交互一样刻画这件事。

（这只是粗糙的说法，更详细的待更新。）

http:// dao.mit.edu/~wen/talks/ LightStory.htm

这是文小刚自己写的关于弦网凝聚的科普。

https:// zhuanlan.zhihu.com/p/25 255315

这是知乎上其他人写的关于文的弦网凝聚的科普。