關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)科學(xué)家們也不知道，科學(xué)家只知道宇宙中確實(shí)存在“光速限制”這種現(xiàn)象，但并不知道宇宙為什么會(huì)限制光速。說(shuō)白了，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)不僅僅屬于科學(xué)范疇了，也屬于哲學(xué)問(wèn)題。

有人可能會(huì)說(shuō)：我知道為什么宇宙會(huì)有光速限制了，因?yàn)樗俣仍娇?，物體的質(zhì)量就越大，當(dāng)速度無(wú)限接近光速時(shí)，質(zhì)量就會(huì)無(wú)窮大，這顯然是不可能的，所以宇宙會(huì)有光速限制。

顯然，你是根據(jù)狹義相對(duì)論中的質(zhì)增效應(yīng)來(lái)推理的，但是不要忘了，狹義相對(duì)論是如何誕生的呢？是以兩大基本前提為基礎(chǔ)提出來(lái)的，這兩大前提分別是：光速不變?cè)砗拖鄬?duì)性原理。

那么如果我繼續(xù)問(wèn)你：光速為什么是不變的？你會(huì)怎么回答呢？

沒(méi)有人能回答，即便是再偉大的科學(xué)家也回答不了。因?yàn)?strong>光速不變本身就是一個(gè)假設(shè)，也可以理解為公理。也就是說(shuō)“光速不變是一種假設(shè)”，怎么可能有原因呢？

打個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦樱行∶鞯囊粋€(gè)男子想占你便宜，他對(duì)你說(shuō)“我假設(shè)是你爸爸”，然后你質(zhì)疑“你為什么是我爸爸”，顯然你的質(zhì)疑就沒(méi)有任何意義，因?yàn)樾∶鹘o出的結(jié)論只是假設(shè)，當(dāng)然不會(huì)有任何原因。

而公理本身其實(shí)也是假設(shè)，就好比“兩點(diǎn)之間，線段最短”一樣，就是公理，沒(méi)有人會(huì)去問(wèn)“為什么兩點(diǎn)之間線段最短”，即便是有人問(wèn)，也沒(méi)有誰(shuí)能最終證明。因?yàn)楣頍o(wú)需證明，也沒(méi)有辦法最終證明。

說(shuō)的有點(diǎn)多了，我想表達(dá)的意思是，不管是光速不變?cè)磉€是相對(duì)性原理，其實(shí)都是假設(shè)，都是公理，也可以認(rèn)為是我們這個(gè)世界的底層邏輯，人們只是發(fā)現(xiàn)了這個(gè)底層邏輯，但并不知道為什么會(huì)有這個(gè)底層邏輯。

說(shuō)點(diǎn)再直白了，比如說(shuō)你叫張三，這就相當(dāng)于一個(gè)底層邏輯，沒(méi)有人會(huì)問(wèn)“你為什么叫張三”，也就相當(dāng)于你假設(shè)自己叫張三，然后別人發(fā)現(xiàn)了你的假設(shè)罷了。

那么，科學(xué)家們到底是如何發(fā)現(xiàn)相對(duì)性原理和光速不變?cè)淼哪?？這兩個(gè)原理看起來(lái)并不復(fù)雜，但其實(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)程經(jīng)歷了相當(dāng)?shù)牟?。下面我就以講故事的通俗形式來(lái)表述，盡量避開(kāi)一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)。

在愛(ài)因斯坦成為物理學(xué)界的大佬之前，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界可謂一片盛世，牛頓經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過(guò)幾百年的發(fā)展，早已“上天入地”，幾乎能完美解釋萬(wàn)物的一切運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也早已被物理學(xué)界奉為“神明”。

同時(shí)，麥克斯韋也統(tǒng)一了電磁學(xué)，創(chuàng)建的麥克斯韋方程組足夠簡(jiǎn)潔優(yōu)美，堪稱(chēng)人類(lèi)歷史上最美的方程，甚至沒(méi)有之一。

時(shí)間來(lái)到了19世紀(jì)末，物理學(xué)界一致認(rèn)為，以牛頓經(jīng)典力學(xué)和麥克斯韋電磁理論為基礎(chǔ)，人類(lèi)物理學(xué)大廈已經(jīng)初步建成，剩下的只需要小修小補(bǔ)就行了，似乎人類(lèi)已經(jīng)觸摸到了物理學(xué)的終極圣杯。

但是完美之中，存在著兩個(gè)小小的“黑點(diǎn)”，今天就來(lái)詳細(xì)介紹一下其中一個(gè)瑕疵，從麥克斯韋方程組說(shuō)起。

在高中物理課上都學(xué)過(guò)，麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)出電磁波的速度，也可以理解為光的速度，這個(gè)公式很簡(jiǎn)單，推導(dǎo)過(guò)程就不再詳述了。

如果單看公式本身，這個(gè)公式與其他的物理學(xué)公式并沒(méi)有什么不同。但細(xì)心的人肯定察覺(jué)到了不對(duì)勁的地方：公式中并沒(méi)有任何參照物。

日常生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，任何速度都是相對(duì)的，都必須有參照物才有意義。比如說(shuō)，我們經(jīng)常會(huì)說(shuō)“高速公路的限速是時(shí)速120公里”，這里的“時(shí)速120公里”的速度其實(shí)是默認(rèn)地面為參照物的，平時(shí)我們所說(shuō)的速度絕大部分都是如此，由于是默認(rèn)，所以沒(méi)必要刻意強(qiáng)調(diào)“地面為參照物”。

而牛頓經(jīng)典力學(xué)體系推導(dǎo)出來(lái)的任何規(guī)律，其實(shí)都包含了“速度是相對(duì)的”這個(gè)理念。

但是，光速的計(jì)算公式表明，光速就是一個(gè)常數(shù)，沒(méi)有提到任何參照物，這意味著在任何參照物下計(jì)算出來(lái)的光的速度都是一個(gè)不變的常數(shù)。

這就意味著，對(duì)于同樣一束光，靜止的我與0.99倍光速飛行的你，看到的那束光的速度都是一樣的，恒定保持光速不變。

面對(duì)這樣的結(jié)果，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界一下子就懵掉了：這太不科學(xué)了，不可能是這樣子的。

當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界大佬認(rèn)為，牛頓經(jīng)典力學(xué)不可能是錯(cuò)的，當(dāng)然麥克斯韋電磁理論也不會(huì)有錯(cuò)，一定是某個(gè)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的地方出錯(cuò)了。于是物理學(xué)界大佬開(kāi)始尋找各種“補(bǔ)丁”，試圖對(duì)剛剛建立起來(lái)的物理學(xué)大廈進(jìn)行重新“修補(bǔ)”。

而“以太”這種物質(zhì)就是在這種背景下出現(xiàn)的。物理學(xué)家假設(shè)“以太”這種物質(zhì)在宇宙中無(wú)處不在，但又不會(huì)被我們感知到。以太就是光傳播的介質(zhì)，同時(shí)也是光速的參照物。

不僅如此，物理學(xué)家們還把以太定義為絕對(duì)靜止的參照物，萬(wàn)物都相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)。這種特殊的以太，讓牛頓經(jīng)典力學(xué)與麥克斯韋方程組得到了完美的協(xié)調(diào)。但考慮到以太只是一個(gè)假設(shè)的概念，物理學(xué)家必須找到以太存在的證據(jù)，這也是所謂的“大膽假設(shè)，小心求證”。

按照物理學(xué)家對(duì)以太的定義，萬(wàn)物都在以太中運(yùn)動(dòng)，由于以太是絕對(duì)靜止的，如果你的運(yùn)動(dòng)方向與光飛行的方向同向，測(cè)量到的光速自然就會(huì)更小一點(diǎn)。而如果與光逆向，測(cè)量到的光速自然會(huì)更大一點(diǎn)。

由于光速太快，對(duì)測(cè)量的精確度要求就很高，不過(guò)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷想出了一個(gè)非常巧妙的方法來(lái)測(cè)量不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的光速值，這就是著名的邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的具體過(guò)程就不再詳述了，有興趣的可以搜索了解下。

就在邁克爾遜和莫雷兩人滿懷期待，準(zhǔn)備見(jiàn)證以太存在的證據(jù)時(shí)，等來(lái)的結(jié)果讓他們完全不敢相信自己的眼睛：測(cè)量結(jié)果表明，無(wú)論在任何運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量光速， 光速都是不變的。也就是說(shuō)，以太是不存在的。

這里必須更正一下很多人對(duì)邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)的誤解。網(wǎng)絡(luò)上很多人認(rèn)為邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)證明了光速不變?cè)恚鋵?shí)不是這樣的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)只是證明了以太是不存在的。

其實(shí)邁克爾遜和莫雷兩人壓根就不相信光速是不變的，牛頓經(jīng)典力學(xué)在兩人心目中的地位如此根深蒂固，以至于面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們一度懷疑是實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)了什么差錯(cuò)，而絲毫不相信以太真的不存在。

以至于兩人對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題，包括儀器設(shè)備本身進(jìn)行了全面檢查，反復(fù)做了好幾遍實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍舊如此。

不僅僅是邁克爾遜莫雷兩人，物理學(xué)界之后也做了很多類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果無(wú)一例外，都指向了以太不存在。

這樣的結(jié)果，一下讓整個(gè)物理學(xué)界都傻了眼：怎么辦？如果以太不存在，就表明統(tǒng)治了幾百年的牛頓經(jīng)典力學(xué)就是錯(cuò)的，這是他們無(wú)論如何都不能接受的。

正當(dāng)物理學(xué)界大佬一籌莫展，試圖通過(guò)其他方式來(lái)調(diào)和牛頓經(jīng)典力學(xué)與麥克斯韋方程組之間的矛盾時(shí)，偉大的愛(ài)因斯坦站了出來(lái)。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為：你們這幫物理學(xué)界大佬啊，既然公式中明明白白地寫(xiě)著，光速就是不變的，你們?yōu)樯兑欢ㄒ尮馑侔l(fā)生改變呢？這沒(méi)有道理啊。再說(shuō)了，以太這種物質(zhì)本來(lái)就是假設(shè)。一個(gè)是真實(shí)存在的公式，另一個(gè)是假設(shè)的概念，到底該選擇哪個(gè)不應(yīng)該是什么難事啊，肯定要選擇真實(shí)存在的啊！

于是，秉承著“如無(wú)必要勿增實(shí)體”的理念，愛(ài)因斯坦揮起“奧卡姆剃刀”一下就把以太“咔嚓”掉了，然后提出了光速不變?cè)?，再加上狹義相對(duì)性原理，狹義相對(duì)論應(yīng)運(yùn)而生。

按照光速不變?cè)?，光速就是絕對(duì)的，是一個(gè)常數(shù)。這意味著，無(wú)論你以多快的速度去追趕一束光，這束光在你眼里的速度都恒定保持光速不變，哪怕你以0.99倍光速追趕一束光，仍舊如此。

以上就是光速不變?cè)淼挠蓙?lái)，下面再講述一下狹義相對(duì)論的另一個(gè)基本前提：相對(duì)性原理。這個(gè)原理其實(shí)更好理解，因?yàn)樗衔覀兊娜粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)。通過(guò)一個(gè)小故事就可以簡(jiǎn)單了解了。

很多人應(yīng)該都聽(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)故事，傳說(shuō)中的伽利略比薩斜塔故事。

傳說(shuō)，在比薩斜塔上，伽利略從斜塔上往下扔兩個(gè)鐵球，一個(gè)鐵球質(zhì)量更大，另一個(gè)質(zhì)量更小，同時(shí)扔下兩個(gè)鐵球，哪個(gè)鐵球下落的速度更快呢？

按照古代時(shí)期亞里士多德的理論，質(zhì)量越大的物體下落的速度越快，那么更重的鐵球下落的速度就會(huì)更快，也就更早落地。實(shí)際上當(dāng)然并不是這樣的，兩個(gè)鐵球同時(shí)落地。

實(shí)際上當(dāng)時(shí)的伽利略同時(shí)一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)也否定的亞里士多德的思想：把重球和輕球綁在一起，如果更重的鐵球落得更快，那么重球就會(huì)拉拽著輕球一起下落，這就意味著，兩個(gè)球下落的速度應(yīng)該在重球下落速度與輕球下落速度之間。但是來(lái)個(gè)球又是一個(gè)整體，而整體的總質(zhì)量又大于重球，所以整體的下落速度肯定大于單個(gè)重球的下落速度。

這就出現(xiàn)了矛盾的結(jié)果，也表明了亞里士多德的思想是錯(cuò)誤的。

之后伽利略對(duì)于運(yùn)動(dòng)和變化又進(jìn)行了深入思考，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)事實(shí)：在勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系里，如果我們不觀察參照系外的任何事物，其中的感受與靜止在地面的感受完全是一樣的。

其實(shí)這就是相對(duì)性原理，用物理學(xué)術(shù)語(yǔ)描述就是：慣性系中，所有物理定律都是等價(jià)的，所有慣性系都是平等的！

也就是說(shuō)，靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的，兩者都是慣性系，沒(méi)有任何一個(gè)慣性系是特殊的。當(dāng)然，當(dāng)時(shí)的伽利略并沒(méi)有如此濃縮地總結(jié)出來(lái)相對(duì)性原理，但他的思想本質(zhì)上就是相對(duì)性原理。

何為“物理定理是等價(jià)的”？就是說(shuō)，不管在任何慣性系中做實(shí)驗(yàn)，物理定律都是成立的。

比如說(shuō)著名的牛頓運(yùn)動(dòng)定律F=ma，不管你在任何慣性系下，比如說(shuō)在以時(shí)速300公里行駛的高鐵上，還是在地面上，牛頓定律公式F=ma都成立，公式中的F可能會(huì)變，a也可能會(huì)變，甚至m都會(huì)變，但F=ma本身都成立。

同理，麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來(lái)的光速計(jì)算公式也是如此，在所有的慣性系中都成立。這也再次表明了，光速在任何慣性系下都是保持不變，都是一個(gè)常數(shù)。

而有了光速不變?cè)砗酮M義相對(duì)性原理，加上一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)知識(shí)，就可以推導(dǎo)出狹義相對(duì)論中的公式了，比如是時(shí)間膨脹公式，尺縮效應(yīng)公式，質(zhì)增公式等，都不需要高等數(shù)學(xué)，甚至初中數(shù)學(xué)水平就可以推導(dǎo)出來(lái)了。

總結(jié)

就像開(kāi)頭所說(shuō)，宇宙并沒(méi)有刻意限制光速，大自然才不會(huì)在意光速到底是多少，只是我們所在的宇宙里的光速就是如此，沒(méi)有為什么。當(dāng)然你也可以從人擇原理來(lái)理解宇宙為何限制光速，更通俗易懂，畢竟萬(wàn)物的存在都是以光速限制為基礎(chǔ)的，如果光速?zèng)]有限制，萬(wàn)物就不可能存在，也就不會(huì)有人問(wèn)這樣的問(wèn)題了。

其實(shí)從四維時(shí)空的角度來(lái)講，可以這樣理解，光速其實(shí)也是有參照物的，它的參照物就是四維時(shí)空本身，光的傳播介質(zhì)就是四維時(shí)空，光只相對(duì)于四維時(shí)空以光速飛行，與其他任何事物都沒(méi)有關(guān)系。

也就是說(shuō)，四維時(shí)空是光速的傳播背景，所以光速與物體的運(yùn)動(dòng)方式，參照系的選擇都沒(méi)有任何關(guān)系。而四維時(shí)空是相對(duì)的，意味著時(shí)間和空間能完美協(xié)調(diào)，最終總能保證光速的絕對(duì)不變，而協(xié)調(diào)的方式就是時(shí)間膨脹和尺縮效應(yīng)，時(shí)間和空間隨著物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)刻發(fā)生著變化，目的就是保證光速的絕對(duì)不變性，保證光速始終是一個(gè)常數(shù)！