光速為什麼不是無限大的？

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一篇科幻小說提到過的，根據牛頓那個第幾定律來著，物體的加速度與質量成反比，光沒有質量所以理論上光的速度是無限大的。。。。有人能科普下么？

如果物體的運動速度無限大，那就沒有這裡和那裡的區別，一個物體在這裡，同時也在那裡，沒有距離，世界對這個物體來說是0維的，所以物體的運動速度必須有一個上限，上限是什麼？沒有質量時可達到的速度，也就是光速。

赤道上有很多螞蟻，它們特別小，走在地上，覺得地面是平的。然後想出來了距離測量的公式，比如 $a^2+b^2=c^2$ .

它們去摘果子，玩耍，搬家，用這些公式都沒有出過錯，所以它們自然而然覺得地球是平的。

只到有一天，有一隻螞蟻一直往東走，走過高山，走過河流，走過大海，走過峽谷，然後它驚奇的發現走回了原點。

於是它又想出了一個公式：走 40075.7km 距離是0.

但是它發現，在平面上永遠不可能發生這種事情。那麼在曲面上？

它慫恿很多螞蟻嘗試忘任何方向走，大家發現都是大概走40000 km 回到原點。於是有了個不變數： 40000 km = 0 。

最後它們發現了，這個曲面只能是球。

然後所有的螞蟻就都知道它們生活在球面上了。

但是平時它們去摘果子，玩耍，搬家，還是愉快的用以前的距離公式。

為什麼是這個速度不知道。

至於這個速度本身，是麥克斯韋方程組直接就能解出來的。（謝謝評論指教，麥克斯韋方程組解出來的是電磁波的傳輸速度，後來人們才認識到光也是一種電磁波）

光速的具體數值299792458是後來規定的，由此來定義米這個單位。

好想知道為什麼這麼多人踩我的回答

——————————原回答

事實上我們談光速不是很準確，這涉及到什麼是光。我們在物理上討論的其實是信息的傳播（物質的相互作用）速度有沒有上限，也就是是否存在超距作用。目前人類的所有實驗都沒有發現過超距作用，因而我們相信世界上是有一個信息傳播速度極限的。

-----------------------------------下面是一些廢話，可以略過

數學上這樣的一種系統成龐加萊對稱。數學上我們可以證明，龐加萊對稱系統中速度上限是守恆的。對於所有慣性參考系，速度上限都是完全一樣的。我們用c來代表這個最高速度。

龐加萊群中生成元 P對應的不變數，四維動量 $p_i$ 滿足質能方程： $p_ip^i=m^2c^2$ ，或者用大家更熟悉的寫法 $E^2-p^2c^2=m^2c^4$ 。當動量為零，也就是靜止時，質能方程就變成了滿大街都印了的那種。

由自由粒子的拉格朗日方程可知 $vec{p}c^2=Evec{v}$

----------------------------------重點在下面

當粒子的質量為0的時候， $E=pc$ ，所以 $v=c$ 。意思就是說，如果信息的傳播存在一個最高值，那麼這個最高值在所有慣性系中都是一樣的，而所有沒有質量的粒子都必然以最高速度運動。而光子就是這樣一種沒有質量的粒子。因為光速是很容易測的，所以我們就叫這個最高速「光速」。而我們測到的光速是有限值的，這又印證了信息存在最高傳播速度的假設

--------------------------------- 再補充一點

龐加萊對稱還有另外一層意義。如果世界上不存在一個最高速度，那物理定律會滿足伽利略群對稱，在這種情況下物理定律隨坐標系的移動速度變化，也就是說世界上存在一種絕對靜止坐標系，會區別於其他慣性系。以太思想就是基於這種假設。這個假設被邁克爾遜干涉實驗否決了。這是速度有極限的另一個佐證。

人類測量出來的光速，如果你查一下物理概念的轉折點你就會明白。光速就是一個事實，問太多為什麼會變成哲學問題的。狹義相對論也提到了光速的不變性。要是光速無限的話，這世間還會一樣嗎？光速就只是這個世界的一部分啊，問這個就等同問，狗為什麼不會說人話？

第一個測量光速的人是astronomer Roemer, 他觀測Jupiter的月亮之一，Io，發現了當地球離Jupiter最近和最遠的時候，Io的月食時間相差了大概7分鐘。他由此估算出了光速。

Galileo伽利略也試過測量光速。和同伴手中各拿一盞燈，彼此之間站開足夠的距離。同伴先打開他的燈，在伽利略看見燈的同時，他也立馬打開他的燈。他的計算中也考慮到了人的反應時間。只是那個時代的器材無法精確地測量時間到那麼精確，伽利略只能說，光速如果不是無限也是非常快。

後來Fizeau設計了一個實驗，如下。

被鏡子折射的光穿過齒輪的間隙照在一個反射面上。當齒輪不轉動時，很明顯你可以看到反射回來的光。但是當齒輪的轉動達到一定的速度時，你就看不見任何光反射回來了。因為通過間隙出去的光，在回來的時候被下一個齒擋住了。

因此，只要知道齒輪轉動一個完整的圈需要的時間T，和齒輪和反射面之間的距離D，你就可以算出光速。

一個齒輪有N個間隙,轉過一個間隙需要的時間t （假定每個間隙之間的距離一樣）:

t=T/2N

因為T=1/f
t=(1/f)/2N =1/2Nf

速度=距離/時間
2D/(1/2Nf) = 4NDf

這就是光速啦, 這個實驗在家裡也可以做吧。

Fizaeu測量的光速和Maxwell預測的一樣。至此，開啟了物理的新世界。牛頓的Corpuscler theory of light終於被否認，光是wave不是particle。現在我們知道光有wave-particle duality, 當然這是後話。

無窮和零某種角度上來看簡直是孿生兄弟。速度無窮大意味著事物的變化是無窮快速，這特么跟完全不變化有啥區別？然而現實或邏輯上都不會存在萬物都絕對靜止的宇宙。

光是一種波，波一定要有傳播速度上限，因為如果傳播速度是無窮大，那麼任何兩點之間就一定是相同狀態，那麼就不會存在這種波

因為宇宙的速度天花板就是光速，就像手機跑分，光速就是我們這個宇宙的跑分。

當然如果光速是無限大的，這個無限大的速度都會帶動所有的物體無限大運動（x+ ∞ = ∞ ），時間是沒有意義的。

說白了，我們宇宙就是一朵綻放的煙火，我們只是活在從爆炸到消散的某個瞬間。

其實我想反對任何一個在物理學框架（哪怕是QED，或GR）下回答這個問題的答主。
因為並非有那些理論，而得出光速為c，而是先有光速為c的結論後，理論向其靠攏。
這個歸因方向有問題。
「為什麼」這種問法很不學術，因為追根溯源，你不知道盡頭在哪裡。但要問為什麼人類得出光速為c而不是無窮大……那是因為在人類量綱與單位制系統下，無數次測量結果的統計數據說明，在我們已知的區域內，對任意參考系，光速均不變為一定值。
物理是一門現象科學，請不要在學科內部用公設推導出的理論來論證公設，那只是循環論證

為了回答這個問題，我們先來講個故事。

當年有個叫麥克斯韋的天才少年，整理了他老師法拉第的各種電磁場手繪圖，得出了被譽為最美方程組的麥克斯韋方程組：

$igtriangledown imes mathbf{E}=-frac{partial oldsymbol{B}}{partial t}$
$igtriangledown imes mathbf{B}=mu _{0}oldsymbol{J}+mu _{0}varepsilon _{0}frac{partial oldsymbol{E}}{partial t}$
$igtriangledown cdot oldsymbol{E}=frac{ ho }{varepsilon _{0}}$
$igtriangledown cdot oldsymbol{B}=0$

這個方程組揭示了電磁場的內部作用和運動。他從這個方程組預言了電磁波的存在，並指出光波就是一種電磁波。

由麥克斯韋方程組出發，我們很容易得出電磁波的波動方程：

$igtriangledown ^{2}oldsymbol{E}-frac{1}{c^2}frac{partial^2 oldsymbol{E}}{partial t^2}=0$
$igtriangledown ^{2}oldsymbol{B}-frac{1}{c^2}frac{partial^2 oldsymbol{B}}{partial t^2}=0$

其中 $c=frac{1}{sqrt{mu _{0}varepsilon _{0}}}$

其解包括各種形式的電磁波， $c$ 是電磁波在真空中的傳播速度。

這個時候一些敏銳的物理學家就已經發現一個不能調和的矛盾，麥克斯韋方程組中並沒有涉及到參考系的選取，換言之，這裡求出來的光速和參考系無關。我們知道，在牛頓力學（或者說是在伽利略時空觀）下，速度是相對的，兩束向反運動的光，他們看到彼此的遠離的速度其實是 $2c$ ，如果在其中一束光上還有一束遠離的光，那麼第一束光看到這第三束光遠離的速度應該是 $3c$ ，以此類推，最終第一束光可以看見一束以趨近無窮大速度遠離他的光。但是這樣的論述在麥克斯韋方程組中是否定的，不論在什麼參考系下，光速都是不變的。

為了調和這個矛盾，一部分物理學家提出了以太理論，另一部分物理學家（比如洛倫茲）提出了一些奇奇怪怪的理論，而還有一位叫做愛因斯坦的物理學家堅信麥克斯韋是對的，並提出兩個基本原理——相對性原理和光速不變原理，他由這兩個基本原理出發，提出了狹義相對論，並把洛倫茲變換上升到相對論時空觀。

至此，擺在人們面前的是牛頓力學和狹義相對論這兩大理論，而大量的實驗都表明了狹義相對論的正確性，從此牛頓力學敗下陣來。

你先搞清楚速度的定義～
先不談光速，就說這個速度無窮大～
就按經典物理解釋～位移和時間之比
要麼在有限的時間內實現了無窮的位移，要麼進行了有限的位移用了無窮小的時間～
假設你有讓時間靜止的超能力～你使用這種能力，使得時間停止在某刻（T0時刻），整個宇宙的事物都靜止在你眼前，其中有某物的速度是無窮大，正好在你眼前～
然後你恢復了時間的流動，經歷了極短的時間後再次停止了時間（T1時刻），然後你發現～我靠，其他的所有東西都還在，就那個速度無窮大的東西不見了～完全沒影了，到哪裡都找不到，就像根本不曾存在過～

首先，只要假設任意一個慣性系中都滿足時間是均勻的，空間是處處均勻和各向同性的，則通過簡單的數學推導可以證明：兩個慣性系之間的變換方程為

$t$ ， $x$ ， $y$ ， $z$ ； $γ=frac{1}{sqrt{1-frac{v^{2}}{V^{2}}}}$ ①

這裡假定在 $t=t$ 時兩個慣性系的坐標軸相互重合，且此後 $S$ 系（即加撇的慣性系）沿著 $S$ 系（即不加撇的慣性系）的 $x$ 軸正方向運動，速度為 $v$ 。

其中，變換方程中的常數 $V$ 是在推導過程中自動出現的。這個變換和洛侖茲變換形式一樣，自然，常數 $V$ 是自然界的速度極限，只是這個速度極限是多少，是有限還是無限，推導過程並不能給出答案。

不過如果假定超距作用不存在，則這個常數 $V$ 必定是一個有限數值，不過也可以做一個偏哲學上的思考：如果速度極限是無限大，則說明質點的速度可以任意大，即質點速度可以無限大。如果一個質點速度是無限大，那它如何存在於時空之中呢？此時，空間之中處處有這個物體（因為這個物體可以不花時間到達各個位置），又處處沒有這個物體（因為這個物體運動過去了在這個位置就沒有了，而速度是無限大，說明這個物體通過一個位置可以不花時間，則任何時刻都可以說這個物體已經通過了這個位置）。而且，速度是無限大的質點，如何與速度為有限大的物體發生作用呢？這違背能量守恆定律，所以它即便存在也不可能與一般物質發生作用，所以速度為無限大的質點就沒有觀測效應。沒有觀測效應的東西就可以認為不存在。所以，通過邏輯上也可以否定速度極限為無限大。

如果不用上面的那些邏輯思考，可以直接用實驗來說話。實驗也證明了，速度極限是有限的，並且等於真空中的光速，所以光速自然不能是無限大的。

最後再說說牛頓第二定律的事兒，因為問題描述中提到了。光子雖然沒有靜止質量，但是光子有動質量，一列電磁波可以看作是光子的集合體。而牛頓第二定律此時應當寫為 $F=frac{dp}{dt}$ 。這樣，如果一個光子和一個電子發生碰撞後頻率改變，則動量改變了，可以認為電子給了光子一個力，不過一般不這麼處理，在微觀領域就不用力的概念了，而是直接用能量、動量、角動量這些守恆量的概念，就好像經典物理中描述小球完全彈性碰撞一樣，這時我們列出動量守恆方程、能量守恆方程，而不用牛頓第二定律來計算。

一列電磁波從真空進入玻璃後傳播方向會改變，也就是動量發生了改變，則可以認為這玻璃對這列電磁波有一個平均的力的作用。不過一般處理電磁波的傳播不這麼做。而是認為電磁波使介質中的偶極子受到電磁力而振動，偶極子的振動又會輻射新的電磁波，新的電磁波和原來的電磁波疊加就是最後發生偏折的那列電磁波。

光沒有質量，但光子有，

此問題學過高中物理的都清楚啊，相對論怎麼說也佔了一章，雖然是簡介，雖然是選修，雖然沒人選，，，，，，

首先申明以下並不是對原問題的回答，只是我個人對某些答主的看法。
實名反對下面這位答主:

首先你給出了「我的世界」這個例子，從邏輯的角度出發，你這個例子只能類推你有理由懷疑目前所有理論的基本公設不正確，但你不能解釋光速為什麼是c，因為人們對光速的確定不是直接作為公理的，而是在對速度的定義以及測量速度的方法做確定後得出的較為精確的光速值。因此我沒有看出你的例子與題主的問題直接的關係。直白的說，我認為你只是再抖機靈。而當我看你的評論時你試圖用「愛因斯坦的相對論也曾收到質疑」來補充你的答案。我不憚以最大的惡意揣測:你是個民科。
我之所以對這種回答很不滿是因為我是一個大學生，我需要在知乎上面了解到我不知道的知識，可是有時候我會看到一些答主在物理問題上跟我講玄學。我只想說科學從來不是玄學能夠解決的。保守點說，從我上學至今，我所接受的理論無一不從公理一步一步推導而來。因此，請各位對待科學問題上就事論事，我不希望我被誤導，也不希望和我一樣的學生被誤導。
看了大家的回復，我覺得我的回答還是過於幼稚，本想直接刪除了回答，但想想還是給他人留一個反面例子吧。謝謝各位的批評。

很多人其實沒有答到點子上。
光速之所以不是無限大是因為我們用實驗測出來光速就這麼大，約3*10^8m/s。
物理是自然科學，實驗做出來是多少就是多少，拿來解釋的理論是後來的事兒了。

去年在圖書館無意間看過一篇論文，裡面根據物體運動速度的限制，允許存在低光速宇宙以及超光速宇宙。
目前我們生活的宇宙即為低光速宇宙，光速為物體運動速度的上限，而在超光速宇宙中，光速是物體運動的下限。
文章里還解釋了相對論在推導過程中存在的問題，證明目前所得出相對論形式實質上只在低光速宇宙中成立。
個人水平不足，詳細內容無法深入討論，先佔個坑，過兩天去找下原文貼上

雖然我們覺得光速不是無窮大，可是沒關係，光自己覺得自己速度就是無窮大....（這個冷笑話好像要一點點狹義相對論的基礎才會笑....）反正光開心就好。光不僅覺得自己速度無窮大，還覺得宇宙大爆炸根本沒發生呢，任性吧。

光速已經很快了，在人類文明的初期一直到牛頓時期都認為光速是無限的。後來我們定了一個數字，每秒299792458米整。

很多人提到大劉的三體裡面的十維空間，田園時代，光速近乎無限。事實上，我們看到的光線，從太陽到地球上要8分多鐘，而太陽內部的光子從核心慢慢穿越厚厚的太陽跑出來需要很多很多年。

宇宙中有如此絢麗的恆星系統，不是說恆星壽命永恆，而是大恆星----超新星爆炸後會形成新的恆星，例如太陽。太陽的壽命差不多是100億年。

那麼光速無限呢？太陽依舊會發生核聚變反應發光發熱，但是太陽的壽命不會超過100萬年，就死了。

更可怕的是，宇宙中將不會再出現超新星爆炸這種現象。也就是說，宇宙中不會再有新的恆星出現。

再考慮相對論以及質能方程E=mc^2。c無限大的情況下，一個原子的裂變聚變就有無限的能量，就足夠引起宇宙大爆炸…是不是恆星根本無法存在呢？

如果光速是現在的兩倍，人類都不可能存在。無限的話，宇宙都不太可能存在了。

這裡的原因本人限於知識量，無法給一個合理的答覆，只能粘貼兩個鏈接，可以去看看。光速稍微改變一點點的結果。

https://www.zhihu.com/question/47452599/answer/110136331

https://www.zhihu.com/question/47452599/answer/107742708

「主任，人類好像測出我們主機快閃記憶體的讀取時間了」

光的傳播是不是瞬時的，這個問題自古以來就引起了很多科學家的興趣和爭論。

首先證明光的傳播是有速度的，是天文觀測一些行星衛星的"月食"現象，發現在這些行星與地球的距離不同時「月食」持續的時間長短有明顯的變化，而如果光速是有限的，恰好就可以解釋這一現象，也由此計算出來了光速的大概值。後來，科學家又設計了一個光穿過齒輪狹縫的實驗來更精確的測量光速。但是這都不能說明光速是不變的。

直到19世界末，麥克斯韋的電磁學理論橫空出世，通過他那精美絕倫的方程組竟然可以直接計算出來電磁波的速度是一個常數c，但是這並不能說明光速相對於任何觀察者的速度都恆定為c。類比一下聲波，在空氣中的傳播速度是固定值，並且和聲源的運動也無關，所以超音速飛機是可以追上自己發出的聲波的。

於是人們根據聲波、水波的傳輸速度和波源無關的性質來類比電磁波，想像出來宇宙中存在「以太」這種絕對靜止的物質，電磁波就是波源對以太的擾動，認為方程組計算出來的速度c就是電磁波在以太中的波動速度，如果物體相對於以太有運動，那麼它接收到的電磁波速就會疊加上自身相對於以太的速度，但是邁克耳遜莫雷實驗證明了這種疊加效應並不存在。

然後就有了相對論，徹底拋棄了以太說，一上來就直接以光在真空中相對於任何參考系的速度都相同作為前提，然後通過數學推演，計算出來了一個完全不同的時空觀，顛覆了人類的想像。

總結來說光速不變的理論主要基於兩點。

1.「光的以太波動說」被邁克耳遜莫雷實驗否定。

2.人類對於相對性原理的哲學思考。