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第37章 光速不变与因果律

一提到光,我们知道它的速度是每秒30万公里。我们认可这种观点:因为它是光,所以它的速度就是每秒30万公里。我们不会说因为它是一辆汽车,所以它的速度是每小时60公里,因为汽车的速度不是固定不变的。

汽车的速度也不是天生具有的,而是外力作用使它从静止加速获得的。光速则是天生具有的。

牛顿第一定律说,任何物体都要保持匀速直线运动或者静止,直到外力迫使它改变。可见,没有受到外力作用的运动物体也可以像光一样保持一个恒定的速度,但是它却不能像光速一样在不同参照系下保持不变,区别在哪呢?

一般物体保持一个速度,体现的是惯性,而光不是,因为光没有质量,不可能有惯性。那么,光没有惯性,何以能保持光速呢?

麦克斯韦方程推导出电磁波的速度是一个固定数值。光是电磁波,所以光速也是那个固定数值。

多么不可思议!居然有一种定律可以推导出一样东西的速度固定不变!而通常我们计算物体的速度时,要根据它的初速度和加速度,得出它的速度按时间变化的规律。

麦克斯韦方程统一了电磁场,预言了电磁波的存在,并且推导出电磁波的速度是一个固定值——30万公里每秒。这个规律,在所有参考系下都成立。正如相对论所说,所有的物理定律在任何参考系下都成立。

麦克斯韦方程是描述电和磁的变化规律,没有说明也不需要说明是哪个参考系下的电和磁。正如牛顿运动定律是描述宏观物体运动的规律,没有说明也不需要说明是哪个参考系下的物体运动,它们都是普遍适用的客观规律。所以,麦克斯韦方程推导出的电磁波的固定速度也是普遍适用的,不是相对某个特定参考系下的速度。

电磁波是一种波。波是什么?比如有一根绳子,用手拿着绳子的一端,不停的抖动,绳子就会出现传播抖动的波形。这是因为绳子一端的位置在不停的变化,这种变化通过绳子传递给相邻的点,相邻的点的位置也跟着不停的变化,又传递给下一个相邻的点……如此不断把变化传播下去。波就是传递变化的过程。

之所以变化能够传递,是因为绳子上的点是相互关联的,即它们的位置变化是互相关联的。世界上有些东西也像一根绳子上相邻的点一样,变化能够相互关联,比如电场和磁场。变化的电场会产生磁场,变化的磁场又会产生电场,如此不断衍生变化,就形成了电磁波。电磁波传递的是电磁场之间的变化的过程。

抖动绳子形成的机械波传递的是绳子上的点之间的关联变化,也就是说这种波依赖绳子,波的传播速度本质上还是绳子上的点的运动速度。而不依赖介质传播的电磁波的速度不是物体的运动速度,当电场变化时,瞬时会引起磁场变化,没有中间过程。而绳子抖动时,绳子上一个点的位置变化,需要施加力的作用给相邻的点,才能带动它跟着变,不是瞬时变化,需要中间过程。

瞬时变化,也是等效关联变化。比如上一章提到的母女的例子,当女儿生下孩子,母亲瞬时变为外婆。这个变化的速度与女儿什么时候生孩子、生了多久无关,只与两个人的母女身份有关,可以事前确定,但是因为母女身份不是真实的物理量,不能定量确定这个速度大小,但可以肯定的是比光速快。类似的,如果有一双手套,把它们分别装到一个盒子里,然后把它们分离,放到相距遥远的两个地方。当我们打开其中一个盒子,如果确认是左手套,就能够瞬时知道另一个盒子里的是右手套。这个速度与何时打开盒子,以及打开盒子用了多久时间无关,只与两只手套是一对的关系有关,可以事前确定,但因为是一对手套的关系也不是物理量,不能定量这个速度,但可以肯定也是比光速快。

类似的,当电场或磁场发生变化,会瞬时引起磁场或电场变化,这个速度与电场或磁场何时变化,以及电场或磁场的变化强度无关,只与电场和磁场的关联关系有关,可以事前确定,电场和磁场是物理量,分别有个常数——电导率和磁导率,电磁波的速度可以依据它们计算得到。

世界上有两类速度,一类是等效关联变化的速度,速度的产生不依赖质量、能量以及时空,只依赖对象的关联性,这里把这类速度叫做关联速度。这种速度可以事前确定,因此也叫先天速度。比如身份等效变化、量子纠缠、电磁波,这几种里面,只有电磁波能够持续。另一类是最普遍的速度——惯性速度,速度的产生依赖加速,速度的维持依赖质量。这里也把这种速度叫做后天速度,因为是依赖后天的力的作用施加产生的速度。

有质量的物体的速度都是惯性速度,比如一列火车的速度是150公里每小时,一辆汽车的速度是100公里每小时。火车相对于汽车的速度就是50公里每小时。很自然,也符合直觉。

但是为什么光速就不具有这种相对性呢?因为火车和汽车的速度都是以地面为参照系,光速不是。不是以同一个参照物的两个速度没有相对性。火车和汽车的速度都是惯性速度、后天速度,光速是关联速度、先天速度。

惯性、后天是相对的。关联、先天是绝对的,恒定不变。

光速是c,假设一列火车相对地面的速度是0.6c,火车上有一个超人相对于火车以0.6c的速度奔跑。那么超人相对于地面的速度是1.2c吗?不是。相对速度不是简单的叠加,这跟下面这种情况不一样:有三个人甲乙丙,乙比甲多1块钱,丙比乙多一块钱,所以丙比甲多两块钱。速度不是像钱一样固定的死的东西可以无限累加,虽然在相对速度不大时,可以简单的像钱一样进行加减变换计算相对值,但是当相对速度达到接近光速时,必须考虑光速不变原理,这就需要洛伦兹变换。光速不变原理说的是电场和磁场的先天的关联关系,就像上文提到的一双手套的关联关系,不可颠覆。因为先天的关联关系决定了世界因果律的架构,不可逾越。

世界上有两类因果关系,一类是对物体施加力的作用使其发生变化。另一类是先天的关联因果,比如上文提到的母女身份变化的关联,手套的关联以及电磁场的关联。前者受到后者的限制,后天受到先天的限制。先天决定了考试的满分是100分,后天再怎么努力,不可能超过100分。

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