【翻译】光速为什么如此之快？（第一部分）-优快云博客

原文链接：Why is the Speed of Light So Fast? (Part 1)

我经常被问到两个非常自然且相关的问题。

光速通常用 $c$ 来表示，为什么如此惊人地快？
在爱因斯坦著名的能量与质量关系方程中—— $E=mc^2$ —— 为什么 $c^2$ 这个庞大的数字会出现？

光速确实看起来很快——光可以在十亿分之一秒内从你的手机传播到你的眼睛，而在整整一秒半的时间里，它可以从地球传播到月球。

而且，确实你身体中储存的能量与地球上最具爆炸性的火山喷发和有史以来测试过的最强烈的核弹相当——远远超过你走过房间或甚至提起一个重行李箱所需的能量。

在物理学、化学和生物学的名义下——是什么导致了这些令人困惑的现实特征？答案令人着迷，源于粒子物理学和由此产生的物质结构。然而，这个过程出乎意料地复杂，所以我将分三篇博客逐步讲解。这是第一篇。

精炼和重新表述问题

让我们开始得比我在这篇文章的第一版中更清楚一些！我将提到的数量是“ $c$ ”是光在真空中的速度. 在空气、水或玻璃等材料中，光的传播速度比“ $c$ “要慢。问题1的确切形式是

为什么真空中光的速度，通常表示为 $c$ , 是如此惊人地快？
我们还应该认识到，第二个问题有两个子问题，一个是定性的，一个是精确的：

2a. 为什么在爱因斯坦著名的能量与质量之间的关系中 $E$ 和质量 $m$ 中会出现一个巨大的数字？
2b. 为什么这个巨大的数字等于光速（在真空中）平方，即 $c^2$ ?
我们将看到问题 1 和 2a 几乎是同一个问题，并且有着大致相同的答案。但正如我们将看到的，它们的表述还不够好。

问题在于“快速”和“庞大”是 相对的概念。我跑得比蜗牛快得多，但比猎豹慢得多。我与细菌相比是巨大的，但与星星相比却不是。因此，我们应该首先用相对的术语重新表述这些问题；这将帮助我们理清思路。

1 . 为什么真空中的光速比我们人类通常经历的速度快得多？
2a. 为什么普通物体的质量中储存的能量（通过 $E=mc^2$ ）比日常生活中经历的普通过程的能量大得多？

宇宙有一个观点

为了热身，我将从我的书, 第二章开始。

“众所周知，光具有特定的速度，科学家称之为 $c$ ；这也是每个光子传播的速度。几个世纪前，科学家们发现， $c$ 大约是每秒 186,000 英里。这在某种程度上是很快的。我们最快的宇宙飞船根本无法接近这个速度。尽管我的最后一辆车陪伴了我十五年，但我开了不到 186,000 英里。在速度 $c$ 下，你可以在眨眼之间环绕地球（字面意义上）并在几亿分之一秒内从我的头到我的脚旅行。

“然而光也很慢。光到达月球需要超过一秒钟，到达太阳需要超过八分钟，到达最近的恒星需要超过四年。如果我们以接近光速发射一艘机器人飞船去探索银河系，它在我们的一生中只能访问几十颗附近的恒星。”

“你我都很渺小，所以我们认为光像兔子一样奔跑。但宇宙是浩瀚的，从它的角度来看，光却像乌龟一样缓慢爬行。”

这句话的要点是提醒我们**，我们并不是宇宙的中心。相对于所有宇宙事实，我们并不是被神圣化的生物。**地球及其大小、质量或温度没有什么独特或特别之处——动物，尤其是哺乳动物，或我们自己也没有什么物质上的独特之处。宇宙的运作方式并不受我们日常生活中物体的影响。因此，我们自己的视角并不是特权的，我们应该意识到还有其他视角，从这些视角来看，光速（在真空中）是慢的，或者从中来看，一个人所储存的能量是微小的。

因此，为了使我们的问题真正有意义，我们应该退后一步，不仅要问我们如何看待宇宙，而是宇宙如何看待我们。从宇宙的角度来看，问题确实是这些：

1 . 为什么人类与宇宙的自然速度相比如此惊人地缓慢？
2a. 为什么普通人类事务中涉及的能量与人类规模物体所期望的自然能量相比如此微不足道？
要理解宇宙将如何回答这些问题，我们必须理解“自然速度”和“自然能量”从宇宙的角度可能意味着什么。所以让我们从这里开始。

自然速度

实际上最好不要称 $c$ 为“光速”，因为这会导致混淆。正如上面所提到的，光在普通材料中的传播速度比在真空中慢；相反， $c$ 在材料内部不会改变。与此同时， $c$ 不仅是空旷空间中的光速；它也是引力波的速度。更重要的是， $c$ 是所有物理对象相对速度的普遍限制。这就是为什么我和许多人常常称 $c$ 为“宇宙速度限制”——因为这清楚地表明它不是光的属性，而是宇宙的属性. （注意：这里有很多概念陷阱和细微之处，其中一些我已经写过.)

这个宇宙速度极限似乎在宇宙的每个地方都是相同的（基于我们对几乎不可想象的遥远和古老物体的观察）, 因此宇宙中每个有智慧的生物都可以测量它。没有其他速度以相同的方式是固定和可靠的。比如，将其与声音速度进行比较。声音速度会随着温度和传播介质的不同而变化，因此在其他行星的大气和海洋中，这个速度完全不同。它永远无法作为所有智慧物种都能达成一致的宇宙速度测量标准。

注意，作为对评论者问题的回答：光速也会随着它传播的材料和温度而变化，尽管原因略有不同，就像声音的速度一样。但宇宙速度极限并不会。这有可观察的后果粒子物理学家在他们的实验中使用。

我们也不应该将人类的速度约为每秒1米（约每秒一码）视为“正常速度”。首先，如果我们是游隼或树懒，我们会以非常不同的方式看待人类的速度。其次，现在标准的“米”作为长度单位和“秒”作为时间单位的选择是任意的。一头蓝鲸的长度是很多米，从这个意义上说非常大。但一个足够聪明的鲸鱼物种不会使用“米”作为他们的标准，而是可能会使用“鲸尺”来定义长度，鲸尺的大小与鲸鱼相当。我们在鲸尺的高度上只占一小部分，因此在这个标准下看起来显得微不足道。同样，一棵红杉树可能也不想使用“秒”作为时间单位；“小时”会更具特征性。

因此，定义距离、时间和速度的精确方式，以及什么使得长度、持续时间或速度大或小，都是物种依赖、行星依赖和视角依赖的，除非你使用每个人都能达成共识的宇宙事实。而在速度方面，宇宙对此有一个看法。它说：

“ $c$ 是正常速度，因为这是信息从一个地方传递到另一个地方的最大速率。没有两个物体可以相对彼此以更快的速度移动。没有知识可以以更快的速度发送。没有其他速度具有可比的稳定性或重要性。因此，典型物体之间的相对速度应该始终是 $c$ .

“但是，哇… 你们地球生物真是荒谬、可笑地慢！看看你们在星球上是如何爬行的！”

$c^2$

撇开是否 $c$ 应该被视为大、小或正常的问题，为什么能量 $E$ 存储在一个物体内部与其质量 $m$ 之间应该与 $c^2$ 有关？我的回答遵循这篇文章的逻辑，文章详细介绍了“维度分析”的方法，这是物理学家最重要的工具之一。如果我在这里的解释对你来说似乎太简略，你可能想要阅读一下。

爱因斯坦的基本观点是，即使是静止的物体也储存有能量。他建议，这种能量的量反映在它的质量上——具体来说是它的“静止质量” $m$ , 这是相对于物体静止的观察者所测量的质量。（有关静止质量和各种形式的能量的更多细节，请参见我书中的第5-8章。）

能量与质量之间的任何关系必须涉及速度的平方（或两个速度的乘积）。我们在一年级物理中就已经发现了这一点。在爱因斯坦之前的时代，运动物体的运动能量（即“动能”）被理解为等于物体的质量 $m$ 乘以其速度 $v$ 的平方:

牛顿时代的运动能量 = $\frac {1} {2} mv^2$

如果你试图将 $v^2$ 替换为 $v^3$ 或者 $v^{99}$ ，这个方程就会变得毫无意义。（正如物理学家所说：方程两边的单位不匹配。）这就像声称一棵树的高度等于它叶子的颜色——两者的性质完全不同，通常不能相等。

但回到爱因斯坦的说法，即静止物体也有能量。相应的公式不能包含 $v$ , 因为静止物体的 $v = 0$ . 其他某个速度或速度必须出现。

为什么那个速度应该是 $c$ ？嗯，物体的能量/质量关系依赖于某个其他物体的速度并没有太大意义。想象一下，如果我身体中的能量是我的质量乘以某个超远星星速度的平方。这不仅会很奇怪（甚至与伽利略的相对论) 不一致，那么在那颗星星诞生之前，这个公式又意味着什么呢？

不，静止物体的能量与质量之间的关系必须是普遍的——宇宙的——因此 它只能依赖于宇宙本身的属性速度. 就我们所知，宇宙只有一个固有的速度： $c$ . （事实上，如果存在多个基本速度，你可以证明爱因斯坦的相对论概念将是不一致的。）因此，能量与质量之间的任何关系必须是以下形式 $E = \#mc^2$ ,其中 $\#$ 是一个固定的数字，需要有人来计算。没有其他方程可以在逻辑上有任何意义。

爱因斯坦当然知道这一点，甚至在他写下相对论论文之前。他的所有同事也是如此。

等于 1 的事实部分是定义的历史偶然，部分是基于这一偶然的精彩推理和想象。点击这里查看一些细节：
关于是否 $\frac {1} {2} mc^2$ 或 $E = 2 mc^2$ 或 $\frac {4} {3} mc^2$ 在这里，物理学家在历史上有点幸运。质量的定义是在牛顿时代给出的，而能量的定义则是在稍后以这样的方式给出的，对于爱因斯坦之前的物理学，运动物体的动能是 $\frac {1} {2} mv^2$ 。这个定义是有合理原因的。它与动量的定义直接相关，即 $m v$ ，质量乘以速度，没有 $\frac {1} {2}$ 或 $2$ 在前面。动量的定义反过来又是由牛顿的方程激励的 $F = ma$ , 这定义了我们所说的质量。如果牛顿在那个方程中放了一个 $\frac {1} {2}$ ，以不同的方式定义质量，那么爱因斯坦的公式中也会有一 $\frac {1} {2}$ 。但是根据牛顿和他的追随者所使用的定义，符合自然的正确方程是 $E=mc^2$ , 没有数值因子。这是一个美好的历史巧合；任何对能量或质量定义的改变都会影响爱因斯坦公式的简洁外观。

现在，爱因斯坦为什么能弄明白，按照这些定义，方程中的正确数字是 $1$ ，而他的同事们却努力尝试了几十年却始终接近却未能成功？他问了正确的问题，而他的同事们没有。更多内容在这里。

因此，2b 的答案是：在我们的宇宙中， $E$ 和 $m$ 之间对于一个静止物体唯一可能的关系是 $E=\#mc2$ , 其中 $KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '#' at position 1: #̲$ 可能取决于一个文化如何准确地定义能量和质量，但根据我们历史上对能量和质量的定义，恰好是 $1$ 。

自然能量

因此，从宇宙的角度来看，

“一个具有静质量的物体的自然能量 $m$ 大约是 $mc^2$ 。当物体静止时，它的能量正好是这个，而当它运动时，它的能量会更多。如果它以自然速度运动——某个适中的分数 c——那么我们已经从爱因斯坦之前的物理学中知道，它的运动能量将是类似于 $\frac {1} {2} mv^2$ ，这将是 $mc^2$ 的一个相当大的部分。

简而言之，宇宙中的典型物体将被视为携带内部能量 $mc^2$ 和运动能量，这与 $mc^2$ 并没有太大差距。

“但是你们这些地球生物……你们就像受惊的小鼠，所有活动都保持在轻声细语和踮起脚尖的状态！你们是在试图避免被注意吗？你们是懦夫，害怕任何戏剧吗？”

最后一个问题的答案是“是的，绝对是”。但在下一个帖子中会详细讨论。

能源问题为何是速度问题

我已经暗示了为什么能源问题 2a 与速度问题 1 是相同的。普通物体中储存的能量在人类的标准下似乎是如此之大，因为 c, 光速（在真空中），在人类的标准下似乎是如此之快。

再说一次，

爱因斯坦声称（并且很快在实验中得到了证实）静止物体具有内部能量 $mc^2$ , 其中 m 被称为物体的“静止质量”。
对于像我们这样的慢速物体，v 远小于 c，我们可以使用牛顿对爱因斯坦方程的近似，其中静质量为 m 的物体以速度 v 运动时具有 $动能1^2/ mv^2这意味着一个物体的动能与其内能的比率$ ，.