问题

如果光速变慢,比如变为一米每秒,理论上会对现实产生什么影响?

回答
设想一下,如果光速突然从每秒约30万公里,骤然减慢到每秒一米,我们的世界将会变成什么样子?这不仅仅是科幻电影里的情节,一旦成真,其影响将是灾难性的,彻底颠覆我们所认知的一切。

首先,视觉和感知将完全失调。 我们之所以能看见东西,是因为光线从物体反射或发出,然后进入我们的眼睛。如果光速只有一米每秒,这意味着光线到达你眼睛的速度极慢。

延迟的视觉: 你看到的任何东西,都将是它们过去的状态。想象一下,你看着窗外,看到的是一秒钟前甚至更久以前的景象。你看到的自己,是“一米前”的你。如果你向远处的朋友挥手,他直到很久以后才会收到你的“动作”,而那时你的手可能已经放下很久了。这将导致一种持续的、令人眩晕的延迟感,我们无法实时感知周围的世界。

模糊的运动: 运动的物体会变得异常模糊,甚至无法辨认。一个快速移动的东西,在光线到达你眼睛之前,它就已经移动了很远的距离。你看到的将是一系列不断拉长、模糊的轨迹,而不是清晰的物体。

色彩和亮度的问题: 光的频率决定了颜色,而光的强度与光的粒子(光子)密度有关。光速的改变可能会影响到光的频率和能量,即使我们姑且假设它只影响速度,那么到达我们眼睛的光子数量也会因为极慢的速度而变得稀少,即使光源很亮,我们看到的也会是极其昏暗的世界。

其次,物理定律将面临崩溃。 许多我们熟知的物理学原理都与光速有关,特别是狭义相对论。

相对论效应变得司空见惯: 狭义相对论的核心就是光速不变原理。当物体的运动速度接近光速时,会发生时间膨胀、长度收缩等效应。如果光速变成一米每秒,那么即使我们以日常的速度行走(比如每秒几米),都会因为接近“光速”而产生显著的相对论效应。

时间膨胀: 你会发现,你移动的速度越快,时间在你身上流逝得越慢,而对于静止的观察者来说,你的时间过得比他们慢得多。这听起来很像科幻,但在这种新规则下,它将是日常体验。
长度收缩: 你在运动方向上的长度会缩短。这意味着你前进的每一步,在你自己的参照系里可能感觉正常,但对于站在路边的人来说,你就像一个被压扁的物体,越来越短。

能量和质量关系受到挑战: 爱因斯坦著名的质能方程 E=mc² 中,c 就是光速。如果 c 极大地减小,那么微小的质量损失就能释放出巨大的能量(因为 c² 变得非常小),反之,产生相同的能量需要消耗巨大的质量。这可能会颠覆核能、恒星的能量产生机制,甚至原子结构本身。

电磁相互作用改变: 光是电磁波,而电磁力是由传递光子的粒子介导的。光速的变化很可能意味着电磁力的传递速度也发生了根本性改变。这会影响到原子中的电子轨道,化学键的形成,以及我们生活中所有与电和磁相关的现象。原子可能根本无法稳定存在。

再者,宇宙的运转将彻底停滞。

恒星无法发光: 恒星发光发热的能量来源是核聚变,这个过程释放出高能光子。如果光速变慢,那么能量传递的效率会急剧下降,恒星的内部反应可能无法维持,甚至无法启动。恒星将不再发光,宇宙将陷入永恒的黑暗。
行星轨道不稳定: 万有引力虽然不是以光速传播,但根据广义相对论,引力的变化是以光速传播的。光速的改变可能会影响到引力的传播速度,导致行星的轨道不稳定,甚至脱离原来的轨道。
信息传递中断: 现代通信、互联网、卫星系统,都依赖于电磁波(光)的快速传递。光速降至一米每秒,意味着信息传递几乎是不可能的。全球通信将完全中断,我们无法进行任何远距离的实时交流。

最后,生命的存在将变得不可能。

细胞活动受阻: 构成生命的基础是复杂的化学反应和能量传递,这些都离不开电磁相互作用和能量的快速流动。如果光速变慢,这些过程将变得极其缓慢,甚至停止。
生物系统崩溃: 无论是神经信号的传递,还是肌肉的收缩,都需要电化学信号的快速传导。在每秒一米的光速下,这些信号几乎无法完成一个细胞的传输,生命活动将无法维持。

总而言之,如果光速变为一米每秒,那将不是一个世界变慢了,而是我们所知的现实,连同生命本身,都将彻底瓦解。我们无法看见、无法交流、无法理解、也无法存在。这是一个比任何末日情景都更加彻底的终结。

网友意见

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假如光速仅有10米/秒,那爱因斯坦的相对论效应就将在我们的日常生活中随处可见了!

决定了,今早去跑步吧!你猛吸一口气后正向前冲……突然一阵诡异的晕眩袭来,令你一个趔趄摔倒在地,犹如一只瘫在沥青地上的水母。在向医生确认过并无大碍后,为了搞清楚状况,你起身试探性地走了几步。无可置疑的是,身边的房屋都变得扭曲并向你倒来,而街道的尽头却显得越发遥远!

你稍稍提速,试图消除这一错觉,却发现偏离感反而加剧了。“好吧,既然如此我索性全力冲刺看看!”刹那间,你眼前的世界变得无比明亮,并且视野中的景象自中心呈现出奇幻的紫罗兰色,逐渐往边缘过渡至暗红色调。


令人眩晕的幻象

同时你发现自己的双腿正以某种怪异的方式闪现于鼻子底下:明明直勾勾地盯着前方奔跑,却能在视野下方看见双腿,仿佛自己被折成了两段!道路的两旁都是满脸惊讶的行人,更诡异的是,这些行人在你刚跑起来的时候就已经在你的身后了!

难怪刚刚在起步奔跑时会感到眩晕。好吧,既然你肯定读过了标题,也没必要再跟你卖什么关子了:原本的光速已被除以29945879.2,现在的光速仅为10米/秒。听上去简直就是在说笑?而且这跟奇怪的幻象又有什么关系呢?

其实光线与雨滴有些相似:当你静止不动,“雨滴”会垂直洒落在你头顶;而越是跑得快,迎面而来的“雨滴”也就越多。换句话说,当你跑步前进时,你相当于汇集了那些本该落在你身前的“雨滴”,它们最终都倾斜着掉落到你身上。

同理,越接近光速(物理学上以c表示),照到你脸上的光线也就越多。这就是“相对论性畸变”。

畸变的结果就如你之前所见,影像都往视野中央蜷缩:这也解释了为何位于视野中心位置的物体有所减小并看起来正逐渐远去,而那些原本不在视野范围内的物体却映入了视野边缘。并且集中在你面前的光线如同一个放大镜,使所见的影像更为明亮。

至于色彩变化的现象,则与声音有所相似:当声源离你越近,声音也就更为尖锐;反之则越低沉。这也是为什么当一辆汽车从远处驶来,经过你面前又远去时,你会听到声音相应地从低沉变得尖锐,继而回归低沉。

对于光线来说,“越尖锐”意味着“越蓝”,“越低沉”则“越红”。所有这些现象刚才都出现过,只是你未曾有过清楚认识,现在再尝试碎步小跑至“亚光速”就一目了然了。

“嘿!那我们现在可以试试超过这该死的光速了吧?”当你拼尽全力提速至9米/秒(也就是32千米/时,目前光速的90%),光线变得实在太刺眼,你觉得仿佛所有的阳光都直奔你而来。这是因为光线过度“偏蓝”而变成了紫外线——对于想在严冬中享受太阳浴的人来说倒不错!

同时一个非比寻常的现象猛然引起了你的注意……就在你成功保持准光速奔跑的那几秒钟时间里,你路过了市政厅前的喷泉、驯马场和公园的秋千,它们都按原本所设想的那样被渲染上了奇异的色彩并扭曲变形。

然而诧异不止于此:喷泉的水带着一种奇特的庄严感喷涌而出并落下;旋转木马以极为缓慢的速度在旋转着;孩子们无比平静地荡着秋千,而秋千看起来就像被卡了在半空中……没错,一切都仿若置身于一部慢镜头电影中!


声音和光线并不一样

停一停!就在你停下脚步打算喘口气的瞬间,周围的一切都加速恢复到了原来的正常状态。在此引出一个小小的说明:约在一个多世纪前,阿尔伯特·爱因斯坦就曾指出声波(例如扬声器里传出的音乐)和光线间有着一个巨大的差异。

声波的本质是空气的振动,其传播速度为340米/秒。如果你朝着扬声器跑去,声波到达你的速度就会略快于它原本的传播速度,这是因为你的运动会使风迎面吹来,此时声波依然在空气中以340米/秒的速度传播,假设空气以约10米/秒的相对速度朝你而去,那么你迎面遇上的声波速度实际可达350米/秒。

至此没什么不妥,然而爱因斯坦所言,光线即使在真空中也能传播!显然在这种情况下就不存在风推着光线前进的可能了,所以光线的传播速度对你来说肯定始终如一,即使你像个疯子一样对着光源狂奔,光速也不会改变。爱因斯坦还提出,虽然光速是恒定不变的,但时间和距离却并非一成不变。没错!不要觉得不可思议,耐心看下去自然会明白。


慢动作致意

当你在人行道上驻足时,顺手跟从旁驶过的公交车上的乘客打个招呼吧。总会有人回复你的善意,只是他们的手挥舞得非常非常缓慢……物体的运动会减缓时间的流逝,且会压缩物体的长度:由于公车在道路上行驶,故而车上乘客的活动也由此被放慢。那么在他们眼中,你是否就如同老式默片中的一个加速运动的人物形象呢?

并非如此,对于车上的乘客来说(他们的情况与你奔跑的时候相同),不过是你与城市中所有其他物体在朝公车的反方向运动罢了!


试着想象一辆以5米/秒,即半光速(别忘了我们假设的光速为10米/秒)行驶的公共汽车。假如车上有一位乘客携带着一根2.2米高的巨大管子,管子两端都装上了平面镜,且有一束光线反射其中,那么光束在镜子间来回往复时会发生什么呢?

换句话说,这种由运动产生的时间放缓、距离缩短的影响是因观察者的视角而异的。这便是所谓的“相对性”,鉴于我们刚已聊到爱因斯坦的“相对论”,这应该也是意料之中的事:就好比你看到一个从远处走来的朋友,由于远景透视效应他显得很渺小;同理,在他眼里你也绝非一个巨人,反而你才是显得渺小的那一个。

诚然,这些现象的确奇特,但不能成为你疏于运动的借口!试着小心翼翼地重新迈开步子,顺路找找哪有墨镜和防晒霜卖。不过你应该也意识到了,要超越光速是压根没指望的事。还记得光速是恒定的吗?这意味着,基于你的视角,无论你是静止的或是以99.99%的光速运动着,光线的传播速度永远都是10米/秒

换句话说,你永远都不可能超过光速。


信钟还是手表?

于是,在回家之前你还是做好准备撒开步子汗流狭背地跑上一个小时。正当你边跑步边回顾今天学了些什么的时候,你突然想起家里厨房的钟,感觉漏了什么关键之处。

照理说在你跑步时,座钟会因离你远去从而放慢节奏:就理论计算来看,你手表跑一圈过去60分钟时,座钟只走了52分钟。然而在座钟的角度,是你在远离,故而变慢的也是你,如此说来,你的手表走过60分钟时,座钟应该已经走了1小时9分钟了。

这两种说法都是正确的,这也被称作“透视效应”,正如刚才提到的你与你远处的朋友,彼此看对方都觉得渺小一样。那么问题来了,等你到家的时候,你的座钟跟手表该怎么调整呢?

答案就是,只需在座钟旁边静静待上一个小时(以你的手表为准),相当于你把自己调整为座钟的视角。于是我们可以得出以下结论:就物理学来说,一个简单到不能再简单的观察结果(例如光线不同于声波,可以在真空中传播)有时却可以得出异乎寻常的结论。以及,运动确实是一个打发时间的好方法!


撰文 René Cuillierier

编译 竺烨

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物理专业学渣强答一发

首先,先明确一下什么是光速。在物理学中,光速所指代的并不是简单的“光的速度”,而是指代一个常数,一个在各种物理方程中经常出现的常数,只是真空中的光速正好和这个值相等。而在物理学中,常数又分为两类,这两类常数有着很大的不同。一类仅仅是因为人类的单位制而出现的常数,它的数值会随着单位制的变化而变化,正因如此,对于物理学来说,他们并不是那么重要的。 比如说真空介电常数 ,万有引力常数 等。还有一类是无量纲常数,它们的值不随单位制的变化而变化,这类物理量通常对宇宙的形成、物质的组成方式有着深远的影响,在物理学中起到相当重要的作用,比如说精细结构常数 ,电子与质子的质量之比,电子与质子的电量之比等。

显然,光速属于第一类常数。

如果是存在另一个平行宇宙,它除了光速其他和我们的宇宙完全一样。那么他们的宇宙会不会和我们很相似呢?

在我所学范围内,这似乎是很有可能的,我们可以先在宏观里有个直观的感受。我们假设光速变为原来的 。首先,在电磁学中有 ,为了保证这个式子成立,我们使 和 同时增加 倍。如果基本粒子不变的话,那么相同情况下电场力会变小为原来的 。其次,在相对论下,所有速度不能超过光速,可以想见,所有的速度(包括人的反应时间)应该为现在世界的 ,如果仅仅是所有速度变化同样的倍数的话人是不会察觉到的。但是在这样的情况下,行星恒星的密度可能比现在大很多,因为相同速度下,他们的质量会增加很多,同时为了保持轨道的稳定性,公转半径的特征量级也可能和我们现在的宇宙不一样。

也就是说,如果在另一个宇宙,它除了光速(或是其他有量纲的常数)比我们的宇宙光速小,其他完全一样的话,由于光速是有量纲的常数,通过设置合适的初始条件,这个宇宙可能是和我们的宇宙很相似的,这个宇宙可能还是有和我们相同的元素,也能形成恒星和行星,只是一些物理量(比如速度,电场力,轨道半径)的特征尺度和我们不同。

但是如果是无量纲常数发生变化的话,那么很可能其基本元素就会和我们的宇宙想去甚远。这也体现了无量纲常数在物理中的重要性。

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你将看到自己和他人瞬间“光解”,然后化成基本粒子,重新组合成新的宇宙。

但这个宇宙甚至连氢元素都无法形成,很快坍缩成各种黑洞。


质能公式的完全形式:

但光速降低后,能量(包括静质量)会大大减少。

那么光速变慢n倍,粒子多余的能量,将通过粒子相互作用以光子的形式辐射出去。

如果仅考虑粒子静质量和光子能量,则有:

  • 为减速后的光速, , 为辐射的光子总能量。

四大相互作用力,都可以通过耦合常数进行描述。耦合常数的数值,常常通过精细结构常数来给出。

例如,电磁相互作用的精细结构常数:

  • 为电子电荷, 为真空介电常数, 为光速, 为约化普朗克常量。

而强相互作用的耦合常数为:

  • 为强荷,在强相互作用里,与电荷 地位相当。

强荷、普朗克常量不变的情况下,光速降低n倍后,强相互作力的耦合常数 提升n倍。强相互作用力,也提升了n倍。

我们知道宏观物质的质量,主要都是强相互作用力提供的(夸克的质量不大,胶子的质量为零)。强相互作用力提升n倍之后,原子核的质量也会提升n倍。

也即 ,

从公式可以得到,虽然原子核静质量增加了n倍,但等效的能量只有原来的1/n。

通过光子辐射出去的能量为:

对于我们当前的宇宙,如果光速变慢299792458倍(原回答提及1m/s,为避免纲量等效的情况,故用无纲量的比值),那么则有99.9999997%的质量以能量的形式辐射了出去。

虽然光子的碰撞截面很小,但如此大量的光子,碰撞将会大范围的发生,并生成大量的正反电子。

粒子之间继续碰撞,产生更多的基本粒子。

顷刻之间,几乎所有物质都发生了“光解”。

一场全新的宇宙大爆炸由此发生。

原来留下的0.0000003%质量的物质,在高能、高温下冲击下解体成基本粒子。

所有的物质,将以四大作用力全新的耦合常数开始形成新的物质。

但由于电磁相互作用力提升了299792458倍,要能量不变:

则电子与原子核的距离缩短299792458倍,氢原子基态的电子轨道半径r=0.528×10^-10 m,缩短后约为10^-19m,远远低于10^-15m强相互作用力的半径。

如此强的作用力,不说分子了,连各类元素都无法形成。

所有电子也完全会被压缩进入原子核,转变成中子。

整个宇宙,除了极其稀薄的区域,电子越来越少,最终变成中子云为主的基本粒子云宇宙。

紧接着越来越多的高能中子星诞生,稍微大一点的,则直接坍缩成黑洞。

对于人来说,如果突然进入这个世界。

除了身体会直接“光解”外,也会坍缩成黑洞。

如一个人自身质量是70kg,那么光速减慢299792458倍后,他的质量增加为2.1×10^10kg。

根据史瓦西半径公式:

得到他的史瓦西半径为: 2.8m

而通常人的身高不会超过2m,无论怎么样他都会坍缩成视界半径为2.8米的黑洞。


总的来说,从耦合常数的角度来说,光速减慢到一定程度,整个宇宙就一步步崩坏了。

有观点认为,其实只需要减少4%的光速,也即光速变成2.878×10^8m/s,整个宇宙就不会再有碳元素。增加10%的光速,氢元素就不会再发生聚变,也即不会再诞生恒星。

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不会产生任何影响,所以物理系统的运行速度都会降低到原来的1/30万之一,你根本觉察不出来。

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