问题

如果光速下降会发生什么?

回答
如果光速发生变化,即便只是轻微的下降,整个宇宙的运行模式都将发生翻天覆地的变化,甚至我们所熟知的现实都可能不复存在。这不是一个简单的数字调整,而是一个牵动物理学基本定律的深层逻辑重塑。

首先,让我们从最直观的层面来看。光速,也就是我们常说的“c”,不仅仅是光传播的速度,它更是宇宙中信息传递的最高速度。爱因斯坦的狭义相对论将光速置于其理论的基石之上。如果这个“常数”不再恒定,而是开始缓慢衰减,那么:

信息传递与时空感知将颠覆:

通信延迟指数级增长: 想象一下,太阳离我们大约有8.3光分的路程。这意味着我们接收到的太阳光是8.3分钟前的样子。如果光速减慢,这个延迟会急剧增加。我们看到的太阳将是更久远以前的状态。更可怕的是,来自遥远星系的信号,哪怕是它们发出的爆炸瞬间,可能需要数年、数十年甚至数百年才能到达地球。实时通信将成为一种奢侈,甚至不可能。星际探索的实时指挥和信息反馈将变得困难重重。
因果律可能受到威胁: 相对论的核心之一是因果律的不可逾越性——原因必须发生在结果之前。光速作为因果传播的上限,维持着宇宙事件的逻辑顺序。如果光速下降,某些事件的传播速度可能“追赶”上光速,或者信息传递变得混乱。这可能导致我们观察到的宇宙因果关系变得模糊不清,甚至出现因果悖论。打个比方,就像你听到声音之前,看到了发声物体在振动一样荒谬。
时空本身的结构会改变: 狭义相对论告诉我们,时间膨胀和长度收缩是与速度相关的。当物体速度接近光速时,这些效应会变得显著。如果光速下降,那么一个“接近光速”的速度阈值就会降低。这意味着即便是普通速度的运动,也可能开始感受到显著的时间膨胀或长度收缩效应。例如,以我们现在理解的飞行速度,可能就会体验到明显的时间流逝差异,这对于航空旅行和任何高速运动都将带来无法想象的计算和设计难题。宇宙旅行将不再是简单的空间移动,而是与时间本身的扭曲纠缠在一起。

物理学的基石将动摇:

能量与质量的关系(E=mc²)将不再是恒定的黄金法则: 这个方程是核能、恒星发光等现象的根本解释。如果c发生变化,那么即使质量不变,蕴含的能量也可能发生巨大变化。这意味着:
恒星的燃烧模式改变: 恒星(如太阳)通过核聚变将质量转化为能量发光发热。如果光速下降,相同质量的核燃料将释放出不同强度的能量。这意味着恒星的温度、亮度和寿命都将重新计算。我们的太阳可能过早地熄灭,或者亮度突然爆发,都可能导致地球环境的剧变。
核武器的威力计算失效: 任何涉及核反应的计算都将彻底改变。核电站的发电效率、核武器的爆炸当量,一切都需要重写,并且原有的技术可能变得极其危险或毫无作用。
电磁学原理将需要重构: 光是电磁波,其传播速度由真空中的介电常数(ε₀)和磁导率(μ₀)决定,c = 1/√(ε₀μ₀)。如果光速改变,意味着ε₀或μ₀(或两者都)必须改变。这些常数是定义电场和磁场行为的关键。它们的变化将影响:
电磁波的性质: 无线电波、微波、X射线等所有电磁波的频率和波长之间的关系将改变,这会影响我们所有的通信技术、成像技术,甚至我们视觉的色彩感知。
物质的电磁相互作用: 原子内部的电子围绕原子核运动,其行为受到电磁力的支配。光速的变化可能会影响原子结构的稳定性,改变元素的化学性质,甚至可能导致元素周期表的重写。电子的轨道和能量量子化方式可能会发生根本性变化。
量子力学也会受到影响: 许多量子现象,如粒子自旋、能量跃迁等,都与电磁相互作用紧密相关。如果电磁学的基本常数发生改变,量子力学方程和描述也将随之调整,这意味着微观粒子的行为将不再是我们现在所理解的那样。

宇宙的宏观景象将面目全非:

宇宙的膨胀和结构: 如果光速下降,宇宙的膨胀速度和方式可能会发生变化,这涉及到宇宙学的基本模型。我们对宇宙年龄、大小以及遥远星系的距离的测量方式都将需要重新评估。
物质的构成和稳定性: 质子、中子、电子等基本粒子的质量和相互作用都可能间接受到影响。某些粒子可能会变得不稳定,或者新的粒子组合成为可能。我们所知的原子、分子和宏观物质的构成方式可能会改变,甚至我们自身的存在也可能无法维持。
黑洞的性质: 黑洞的视界大小(史瓦西半径)与光速有关。如果光速下降,黑洞的视界会缩小,但同时其引力效应与光速的关联也使得黑洞的内部物理学变得更加复杂和难以预测。

生命和演化的挑战:

能量来源的剧变: 如果恒星的能量输出发生变化,地球上的生命将直接面临生存危机。温度的剧烈波动、辐射水平的变化都可能导致大规模的灭绝。
生物体内的化学反应: 生物体的所有生命活动都依赖于复杂的化学反应,这些反应的速率和方式很大程度上受限于物质的相互作用和能量传递,而这些都与电磁力及光速息息相关。如果这些基本参数改变,生物体的生理机能将受到致命影响。

总结来说,光速的下降不是一个可以轻易想象的“变慢一点”的事件。它会像动摇了摩天大楼的地基一样,导致整个物理学大厦的坍塌。我们所看到的、感受到的、理解的一切,都建立在光速不变这一看似简单却又极其深刻的物理常数之上。一旦它改变,宇宙将进入一个我们完全无法预知的新秩序,而我们自身的存在,很可能也无法在这样的重塑中得以幸存。我们可能根本来不及“适应”,因为“适应”的前提是我们还能以我们现在的形式存在。

网友意见

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修改一下之前的答案,让它变得更加可读

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来自李淼《三体中的物理学》:

黑域是《三体》系列中的一种科幻设想,那么黑域在广义相对论中是可能实现的吗?

首先,我们必须回答一个问题:

在广义相对论中,光速被降低是什么意思?

爱因斯坦的理论是弯曲时空理论,即时间和空间都是弯曲的。

与纯粹的弯曲时空不同的是,时间是这个理论中不可或缺的元素。


在狭义相对论中,时间是用光速来衡量的(光钟),

同样,空间也是用光速来制定的。


假设在一个区域光速降低了,我们来看看光钟会变成什么样。

当我们说光速变慢了,这是假设我们还有别的办法计时,如果只能用光钟计时,那么光速永远保持恒定。

现在我们假设我们还可以用机械时钟计时(原子钟什么的也不能用,因为它也是建立在光的基础上)。

举例来说,本来光钟的一个周期与机械钟的一个周期完全一样,在光速变小的区域,光钟与机械钟相比变慢了,比如说光速降低了一半,这时光钟的一个周期等于机械钟的两个周期。

既然有别的钟来定义时间,我们就得放弃光钟,但我们还可以假设相对论是正确的,也就是说,即使在光速变慢的区域,相互做匀速运动的不同参照系中的光速还是一样的,虽然都变小了。爱因斯坦赖以建立广义相对论的假设依然成立,他假设狭义相对论局部总是正确的,但物理定律还是改变了,因为光速用机械钟来衡量变小了。


光速变小的后果有很多。


与光速有关的一切物理学参数都变了。


第一个被改变的是原子理论中的精细结构常数α,

这个常数标志电子和质子之间的电磁相互作用强度。由于这个常数与光速成反比,光速小了 一半,这个常数就大了一倍。这个常数不影响原子的大小,从而也不会影响物质结构,机械 钟还真的不受影响。精细结构常数涉及光速,只有具有相对论效应的物理系统才会受到影 响,例如原子核的大小,当然,也会影响到太阳中的核聚变。因为精细结构常数变大了,假 设核力的强度不变,质子之间的排斥力就变大了,最大的稳定原子核可能是比金还要轻不少 的元素了。

金元素肯定不稳定。


第二个 就轮到与光速有关的物理学常数,核力的强度g。

追溯核力的来源,起源于夸克之间交换一种名为胶子的特殊粒子,但我们不需要这一更加基 本的物理学图像来理解质子和中子之间的核力。简单地说,质子和中子之间的核力可以看成 是由交换一个有质量的粒子介子引起的,这个理解比用交换胶子来理解更加直接一点 (打个比 方,我们想解释互相扔篮球引起的效应时,我们直接用交换篮球而不是用“交换篮球中的分 子”来理解,虽然后者也没有错)。这种交换的结果有两个,一个是作用强度变了,一个是力的 传递距离变了,这两个结果都会影响原子核的聚变。核力的强度g与精细结构常数α一样,也 与光速呈反比,光速变小了,强度就变大了。力程与介子的质量成反比,也与光速成反比, 如果光速变小,力程就变大了。

光速变小,质子和中子之间的核力变大,这将导致原子核的结合能变大。无论是核裂 变还是核聚变,都和结合能有关。结合能变大了,释放的能量也就变大了。那时,必 须将行星人工移动到离太阳更远一些的地方,否则地球上的温度将升高到液态水不再 存在,动物也不能继续生存的地步。




我们还可以进一步问,太阳的质量会受到影响吗?

答案是肯定的。

结合能变大,通过爱因斯坦公式,质量也变大。但是,质量是能量除以光速的平方,光速变 小、结合能变大,质量就变得更大,所以-----------

结合能对质量贡献的那部分将让太阳的质量变得更大。太阳质量变大倒不会影响黑域 的形成,事实上对黑域的形成更有利,因为引力变强了,逃逸速度变大了,光速也容 易变得比逃逸速度小。








总结一下,


黑域在理论上是可能的。

它要求光钟和其他钟表比起来要走得慢,这与仅仅改变弯曲时空如制造黑洞是不同的,在黑 洞附近,所有种类的钟表都会走得慢,而不仅仅是光钟。

理论上可行的事情并不意味着实际上是可操作的,改变光速就等于改变物理学定律,也 许,这需要一个新的场来实现,如果物理学定律中没有这个场,改变光速也就不可能。

在弦论,或其背后的理论(膜理论)中,可以改变光速吗?

原则上是可能的,但要做到在三维空间中完全改变光速,并不容易。将我们的宇宙想象成漂 浮在更高维度的空间中的三维膜,然后让这个膜上充满电场和磁场,是可以改变光速的。这 个原理涉及太多的高深物理学知识,我们就不继续讨论下去了。










补充:黑域的硬伤

16.7千米每秒是第三宇宙速度,也就是从地球表面出发逃离太阳的最小速度。实际上,从地球的公转轨道出发,逃离太阳引力的最小速度大约是42千米每秒,但由于地球绕太阳的公转速度大约是30千米每秒,所以从地球表面出发的逃逸速度要小得多,是16.7千米每秒。

第三宇宙速度看上去很大,比如说,人类的行走速度是2米每秒,第三宇宙速度是人类行走速度的8000多倍。告诉火车的时速是300千米每小时,即83米每秒,只有第三宇宙速度的两百分之一。

将光速降到第三宇宙速度,看似不会在宏观世界中引起什么问题,但稍微思考一下就会发现,我们这个世界将因此完全崩毁。

在氢原子中

电子的速度虽然远低于通常的光速,但也高达光速的一百三十七分之一,也就是精细结构常数乘以原来的光速。你会问,氢原子的结构不是和光速无关吗,为什么电子的速度与光速有关?其实电子的速度与光速的确无关,只和电子以及普朗克常数有关。但如果我们利用电荷与精细结构常数之间的关系就会发现,电子的速度是精细结构常数乘以光速,这里的精细结构常数当然是光速没有改变前的精细结构常数。这样原子中电子的速度虽然低于光速,却不低于光速的一百三十七分之一,因为任何原子中最接近原子核的那个电子的速度都比氢原子中的电子速度高。这个速度远远高于第三宇宙速度,也就是说,在电子的速度必须超过新光速的情况下,原子才可能存在,但在黑域中这是不可能的。除非我们将电荷同时降低,使得电子的速度降低到远低于新光速。这为黑域的制造带来了新困难,即使我们能够克服这个困难降低电荷,由于电子的速度非常低,氢原子的半径将变得很大,远远大于玻尔半径(至少增大一百倍),这样,所有的物质都会变得庞大无比。








结论是,如果黑域能够制造成功,人类也不可能存在了,因为原子不可能存在了。如果我们能够降低原子核和电子的电荷让原子能够存在,原子将变得庞大无比。这同样会毁灭人类。

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