在人类的日常经验中,我们接触到的万物皆有其边界,有始有终,有限定而具体。同样的,宇宙作为我们生活的舞台,它并非无垠无际,而是有着明显的界限,是一座有限的剧场。在这有限的舞台上,绝不会出现任何无穷的概念,因为有限的实体易于描绘,而无穷则属于抽象的范畴,难以言传。
数学中无穷的概念,并不能与现实世界混为一谈。
细心观察,我们就会发现,在物理世界中,不论是温度、速度、体积、质量,还是密度等物理量,它们都有其上下限,不可能无止无休。
因此,我们得以拓展之前的议题,温度不仅有其下限——绝对零度,也必定有其上限。这个上限在历史上昙花一现,即宇宙诞生之初的大爆炸瞬间,达到了大约10的32次方度,之后便未再出现。从理论上来说,若能重现普朗克温度,便能创造一个全新的宇宙。
接下来,我们来探讨一下绝对零度与光速之间的奥秘。首先,绝对零度代表什么?简单来说,绝对零度是微观粒子运动完全静止时的温度,亦是量子力学中的最低能级。温度实质上是微观粒子的动态,一旦这些粒子停止了活动,温度也就降至了最低。
在超低温的领域中,我们会见证许多神奇的现象,例如初中物理课本中提到的超导和超流现象,液态氦可以跨越障碍,自发地从高处流向低处,仿佛重力消失了一般。
然而,量子力学的不确定性原理告诉我们,绝对零度实际上是无法触及的。即便是空无一物的真空,也蕴含着基本的能量——真空零点能。只要能量不为零,温度就不可能达到绝对的零度。
量子力学的不确定性原理也强调,微观粒子的位置与速度存在着固有的不确定性,两者的乘积不小于一个常数。这意味着微观粒子的速度永远不会是零,否则就意味着确定性,这与不确定性原理相悖。
同时,所谓的真空并非真正的空无,那里会不断产生正反虚粒子对,它们可通过借用能量瞬时产生,并在极短时间内湮灭,归还所借能量。此现象便是所谓的“量子涨落”,这些虚粒子对本身就代表着能量。
、讨论完绝对零度,我们再转向光速。光速之所以有上限,是因为宇宙的能量是有限的。
根据爱因斯坦的狭义相对论,任何具有静质量的物体都不可能超越光速。随着物体速度的增加,其质量也会随之增大。当物体的速度接近光速时,其质量将趋于无穷大,而质量与能量本质上是等价的。对于一个有限的宇宙来说,无穷多的能量显然是不可能存在的。
此外,要让一个具有无穷大质量的物体加速到光速,也需要无穷多的能量,而全宇宙的能量加在一起也不足以实现这一目标。科学家已计算出我们宇宙的总能量,大约为10的19次方吉电子伏,而1吉电子伏等于10亿电子伏特。
然而,在低速世界中,如我们所处的环境,质增效应并不明显,我们也很难感受到它。
那么,光子为何能以光速行进呢?答案很简单,因为光子没有静质量。光子可以,也必须以光速移动。但由于光子无静质量,意味着它不会拥有无限的质量和能量,否则我们每天被光所照射,在接触到光子的一刹那,就会灰飞烟灭。若真如此,不仅是你我,甚至整个宇宙都将不复存在。
关于光速,不少人会有这样的疑问:为何光在真空中的速度是每秒30万公里,而不是其他速度呢?事实上,我们必须明确,光速不可能是无限的,因为我们的宇宙是有界的。既然光速有界,我们只需测量这个有限的速度,得到的结果便是每秒30万公里。
而每秒30万公里这个数值仅仅是基于人类的度量标准得出的,其本身并无太多含义。如果度量单位改变,这个数值也会相应变化,原则上,任何数值皆有可能。
然而,在现行的度量体系下,若光速出现任何细微的波动,无论是加快还是减慢,对于宇宙来说,都可能意味着一套全新的自然法则,所有的物理规律都有可能被彻底改写。因为在现有的物理定律中,很多公式都包含光速这一常数,光速一旦改变,物理定律的基石也将随之动摇。