為什麼人類恰好能直觀感受到光,而光速又恰好是一切速度的極限?

這是人擇主義呢?還是人擇主義呢?
是不是人類恰好能感受到光,因此人類的一切知識都不自覺地把光作為衡量萬物的尺子,並由此導致了人類的科學體系里,光成了一道無法逾越的屏障?由此導致了人類不能認識比光子更小的尺度,也不能認識比光速更快的速度?
如果人類不能找到另一把尺子,僅有光這一把尺子,如何用一把尺子測量這把尺子本身?
如果人類能找到另一把尺子,那麼能否不藉助光這把已有的尺子?
如果人類沒有基於光的視覺,能定義「直」嗎?能定義「直線」嗎?能定義「距離」嗎?能定義「空間」嗎?能定義「速度」嗎?能定義「質量」嗎?


「光速」是時空結構的一種特性,因此它是極限速度。

一些粒子滿足一定的條件(massless, gapless, etc.)就會以光速運動,光只是其中之一,當「光」(或者類似於光的耦合激發)不滿足這些條件的時候它就不以光速運動。

光是宇宙中具有最大宏觀強度的相互作用(電磁)的媒介,因此幾乎所有物質(除了比如中微子、暗物質)都會發光。也因此,光是世界上最廣泛存在的可以承載信息並傳播的物質形式,生物進化出這種信號的探測器非常自然。

「光速」(嚴格來說並不是光)是我們定義空間距離所使用的尺子。空間距離不是內秉概念(度量空間有確定的度規張量,但其分量依賴坐標系,這裡「空間距離」應理解為度規的分量,因此不是內秉的),所以用來定義它的尺子是不需要被別的尺子測量的。


一個一個的回答題主的問題。
1.因為世界上所有具有溫度的物體都會輻射電磁波,進化出能夠探測電磁波信號的器官(眼睛+大腦皮層中負責視覺的部分)一點都不奇怪,不同動物的探測器官對於不同能量光子的響應也是不同的,人類具有可見光波段的探測能力並且對於不同能量光子給予不同顏色進行細分。可見光波長分布為0.4~0.76μm,這是由於太陽光光譜能量在這個波段比較集中(見下圖,圖片來自wiki)。因此可以預見,如果某個星系的恆星具有不同的能譜分布,那麼該星系的智能生物肯定會進化出對光譜敏感程度完全不同的視覺系統。

2.光並不是衡量一切的尺子,「不能認識比光子更小的尺度」也無從談起,就可見光而言,波長數百納米,比這小的尺度人類見識的太多了。而且除了使用光子(包括X射線、gamma射線等)我們有很多探測用的工具,最常見的,對於機械波我們進化出了耳朵,藉助鼓膜和耳蝸等器官將震動轉化為電信號,再經過大腦皮層處理產生聽覺,從本質上說,眼睛和耳朵並沒有區別。此外,像beta射線(電子)的背反射成像,電子顯微鏡等等有很多探測技術都不是依賴光子的。

3.為什麼光速是一切速度的極限呢?
這個說法並不嚴謹,正確的說法應該是真空中光速是信號(相互作用)傳播速度的上限。這是可以證明的,當然,我們需要一個前提,就是真空中光速在所有參考系中都是不變的。大概的推到思路如下:
1) 設真空中光速為c,K參考系某時刻t_1,由A點(x_1,為簡化,只考慮一維情況)向B點( x_2)發射光信號,t_2 時刻信號傳播到B。定義兩事件間隔:

ds^2 = (x_2-x_1)^2-c^2(t_2-t_1)^2 = 0

2)根據光速對於不同參考系具有不變性,可以推論出,在任意參考系K『,兩事件間隔同樣為0

ds

3)進而可以推導出在任意兩個參考系間隔都是不變的,這一步稍微麻煩點,這裡就略去了,大家知道結論就行了。
4) 有了間隔這個不變數,洛倫茲變換就容易推導出來了,質速關係等等也可以得到:
m
5)通過洛倫茲變換可以發現,當超過光速時,sqrt{1-v^2/c^2}變為虛數,這是違背物理的。因此光速將是某種上限。

上面的討論其實最根本的一點就是光速在所有參考系下面具有不變性,只要滿足這一點該速度必須是光速,事實上任何靜質量為0的粒子都具有光速。超光速也並不是不可能,只要信息傳遞速度不超過光速就可以,比如空間膨脹。

4.「如果人類沒有基於光的視覺,能定義「直」嗎?能定義「直線」嗎?能定義「距離」嗎?能定義「空間」嗎?能定義「速度」嗎?能定義「質量」嗎?」
如果沒有基於光的視覺,這些全部都是可以定義的,而且目前人類對於這些的定義也不依賴"基於光的視覺"。
僅舉直線一例,光沿直線傳播,其實應該叫,光沿測地線傳播,測地線的定義不依賴於光,而是空間的性質,比如知道了地球的質量,求解廣義相對論場方程就能求出測地線了。


well, 非專業人士換個角度來回答吧。為什麼人能直觀的感受到聲音,但是聲速不是速度的極限呢?
====&>&>
2015/5/11 update: 後面仔細想想,這個回答屬於迴避問題,只能算抖機靈了。。。


由於太陽是地球生命的主要能量來源,有效地利用光能和光信息確實有利於在進化樹上獲勝。很多答主都提到了這一點,可以粗糙地說是人擇原理。

特指到人,至少有五覺:視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺。從生存需要和審美體驗上看,我覺得他們是平等的。
對的,我覺得欣賞美景,仙樂,芳香的看貨、聽貨,聞貨,並不比吃貨高明到哪裡去。
另外,我們和其它物種還有其它感知方式,能探測磁場、引力,加速度的各種機制。不能歧視。

所以,要有光,但光既不是唯一,也不是對我們的限制。
我們對於光速不變且是上限的認識,也完全可以脫離光。【後面補充】

現代科學,更讓我們發明了更多的尺子。
題主對以光為尺子的描述有點含糊。可能是想問,我們能用尺子去測「小於」尺子(刻度)的東西嗎?我們能感知到超過光速的作用嗎?

印象中我有看過的科普書暗示不可以,但我不贊成。人可以從整數想到分數,從整體推究還原。
事實上,我們對微觀世界的理解,也不是用更基本的尺子探測出來的。
我們用尺子測到的結果,無法用整數個尺子的模型得到,就想到了應該有比尺子更基本的結構。

超過光速的作用,只要與這個世界作用,就會有影響。
我們用這個影響結果,可以反推出那個作用的性質。
要是完全無關的平行宇宙,與這個世界沒有作用?這個,芥子須彌,三千世界,隨他去吧。

至於「直」,康熙字典說,不彎就是直。
我們不是從光走直線認識到的吧,應該是從兩點間直線最短來定義的。也就是測地線。恰好我們周圍的時空,近似是平直的。這應該算是人擇原理?

時間、空間、速度、質量。。話題都好重啊。
康德說時空是經驗的(先驗的)抽象,牛頓說時空是絕對的背景。
你自己想像時空的時候和光有關係嗎?我經常是晚上想的。
時間對於我來說,是單向的因果關係。我用不能顛倒次序的事件,來理解時間的先後。比如採摘的花,傷人的話,生過的娃。

速度是空間對時間的分配(此句亂扯),或者說,空間是速度對時間的累積。
光速把時空聯繫起來,是因為我們追問時空究竟是絕對的還是相對的。

  • 我們說觀察者應該是平等的
  • 我們看電磁方程簡潔和諧,應該是基本的

有這兩條,我們得到,電磁波的速度應該對所有時空參考系不變。既然速度不能變,時空就得變,這就是洛淪茲協變。
時間的因果關係+洛淪茲協變,就有了狹義相對論的時空觀。

就算光對我們有優先性,我們得到電磁方程時也可以與之無關。如果光不是電磁波,狹義相對論還是可以得到。據說有人問過愛因斯坦,如果邁-莫干涉實驗沒有給出光速不變,你還會堅持相對論嗎?他想了想,回答,那應該是他們測錯了。
試想,如果光速並不是極限(不考慮以太),會怎麼樣?

  • 看到完全符合經典時空觀的干涉,沒有速度上限或者光速遠小於速度上限
  • 看到不符合經典時空觀的干涉,推導出速度變換公式以及上限

質量是個更可怕的話題。
它和引力以及時空的關係構成了廣義相對論。

  • 加速的觀察者也要平等
  • 引力那麼普適,也要是基本的

結果是,時空告訴質量怎麼運動,質量告訴時空怎麼分布。

涉及到的是時空的變換,討論的是基本的作用,我們相信宇宙規律是對稱、和諧、簡潔的,那麼引力的速度也應該是洛淪茲變換的上限速度。基本相互作用,都應該是洛淪茲協變的。
(這裡暗含了時空的重要性,從量子論的角度看,我有點困惑)

不看上面的話,結論,光是最直接的能量信息獲取方式,以及光是直的,讓我們對世界的理解少走了些彎路。如果光不是最基本的,從邏輯的角度,我們依然可以描述、理解這個世界。


可見光波是電磁波譜非常小的一段,題主其實是在問為什麼眼睛能看到電磁波。要理解視覺出現的原因就要回到生物進化之初。已知遠古藻類細胞里已經出現了視紫紅質這種東西。視紫紅質遇到光變色的化學反應是一切生物視覺的共同基礎。藻類用視紫紅質感知明暗的變化,以利於進行光合作用。

藻類乃至更早的藍藻需要「視覺」,根本原因在於光具有能量。它們需要感知光,以光為生存之本。眼睛感知了電磁波的能量,所以看見了電磁波。後來細胞團形狀的改變使得眼睛不僅具有感知明暗的能力,漸漸能識別圖像。後來在不同的環境中進化出了不同的眼睛。


本人本科非物理專業,大學物理水平。

在愛因斯坦之前人們不知道光速是最快的。
而愛因斯坦相對論的前提是光速『不變』 而不是光速最快。
這點不確定,有待物理專業的同學來確定。

這裡注意,所謂的光速『不變』和平常理解的不變是不一樣的。
日常生活中,一輛汽車移動的時候相對於大樓是移動的,可是相對於另一輛汽車可能就是靜止的。
而光速完全不一樣,光速只要在真空中,相對於任何物體速度都不變。假如你的飛行器和一束光同時從同一點出發,哪怕你的飛行器速度無限接近光速,你測得你身旁和你同時出發的光線速度仍然是299792458米每秒,你在飛行器的上的測量值也會和地球上你同事的測量值完全相等。
光速的不變不是相對的不變,而是絕對的不變。

至於為什麼光線會這麼奇怪。原因就在麥克斯韋方程組。麥克斯韋是愛因斯坦最崇拜的男人之一。
因為麥克斯韋方程組本身是描述電磁場的,用這個方程組計算出來的光速是不含有和參照物有關的係數的。也就是說你在地球上用麥克斯韋方程組計算光速,和你在速度極其快的飛船上計算出的光速值會是一樣的。
所以要想否定光速不變,首先需要否定麥克斯韋方程組。但據我所知麥克斯韋方程組好像沒什麼爭議吧。

為什麼相對論里一開始沒有提到光速最快,而又會有光速最快這種說法呢?
道理很簡單,因為用光速『不變』這個前提可以用數學方法推導出光速最快。
注意這裡的『不變』就是前面提到的很特殊的那個『不變』。
用光速不變這個前提可以推導出來狹義相對論的方程,
而用狹義相對論方程可以立馬得出一個結論:如果一個有靜質量的物體以光速移動,能量會變成無窮大。

所以你如果承認不存在有無窮大能量的物體就相當於承認了光速是宇宙最快。

所以 光速最快不是人類直覺猜出來的,也不是靠什麼認識論認識出來的。
而是實實在在用邏輯和數學推導出來的。
麥克斯韋方程組 ---&> 光速不變 ---&> 狹義相對論方程 ---&> 光速最快

所以,光速最快不是靠感官感知出來的,就算是瞎子只要你懂得麥克斯韋方程組再象愛因斯坦那樣動動腦子,你也可以得出這個結論的。


題主你的邏輯鏈錯了

先是人有視覺,能感知到光
然後人測出了光速

然後人又發現了電磁波,發現它的速度是恆定的,電磁波速度恆定必須用相對論來解釋,相對論的結論是電磁波速度不可超越

然後才發現光就是電磁波

兩條邏輯鏈是平行的,不存在因為能看到光所以我們的觀測被光限制了的問題

至於距離的測量,又不是非得依賴光。蝙蝠視力那麼差,照樣能用超聲波感知外界物體的遠近


感覺題主有點把人類想得太。。。特殊了一點,我是從不覺得人類有什麼本質上的特別。
就像樓上說的,人類能感受到光是因為生存需要,所以進化出了相關的器官(就好像有些深海魚就沒有視力一樣,因為光對它們的生存沒什麼影響),這和c是速度極限沒什麼關係。真的只是恰巧吧
退一步講,如果人類不能直接地感受到光,那麼當生命的智能發展到一定程度之後,也會製造出一些設備來感知這個東西,比如人類用設備去感知中微子等微觀粒子,這些東西人類是不能直觀感覺到的,但它們並沒有超過光速什麼的。
再扯遠一點,光速不變和光速極限是密切相關的(參見洛倫茲變換),而光速不變老早被麥克斯韋老先生藏在方程組裡了。真空介電常數和真空磁導率這兩個物理常數,可都不是人類可感知的類型。
所以,真的只是巧合吧


我覺得大家誤解題主的意思了。
他應該這樣問:

是否存在一種更快速的相互作用,只是因為人類無法感知到(包括直接和間接),所以人們誤認為光速(電磁波速度)是最快的?

如果這樣問,那麼可以用奧卡姆剃刀原理來回答:既然一個東西是完全無法被感知,也不與我們觀測到的世界發生作用,那就砍去他,認為他不存在。

發散一下,有一群氣體智慧生物,它們本身是氣體,生活環境中也沒有固體和液體,他們感受不到電磁波,只能感受機械波。在他們的世界裡,機械波最快速度就是在某種氣體中的聲速,那麼這個智慧生物能測出比機械波速度更快的運動嗎?


光速不能逾越是因果律的結果,光子作為電磁作用力所傳遞的基本粒子,本身它的速度就代表了電磁作用力影響的速度。至於人感受到光,其實是由於電磁作用力是三大基本作用力裡面最常見的,其它兩種力要麼太微弱要麼影響距離太短,都不適合做日常觀測用。


這個問題從物理角度答其實答不上來啊。
題主的問題其實應該是這樣吧:
1、人能直觀感受到光;
2、光的速度是最快的;
3、好巧哦,為什麼;

我這麼答吧:
生物感受外界環境信息的方式就那麼幾種:視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、(味覺?)
而能夠直接遠距離對周圍環境產生準確空間感的只有兩種:視覺、聽覺(蝙蝠飛呀飛)
人類經過漫長的進化,最終形成了以視覺為主的感受環境的方式,1/2,不算太巧吧?

現在問題沒有完全解決,只是轉換成了:為什麼人會以光為形成視覺的媒介?
生物要形成視覺感受,至少要以一種無處不在的東西作為媒介吧(如果沒有媒介,就無從感受啦,當然如果要問為什麼,又是一個新的蛋疼問題)?在大自然中,瀰漫在空間中無處不在的東西有哪些呢?
1、空氣 2、電磁波 3、場
1實際上就是聽覺的媒介。3好像只能通過感受電磁力形成感覺。(好像有些鳥就是通過感受地球磁場定位的)但是關鍵是,並不是所有東西都有磁力啊,還有強有弱,生物到底能不能以此為媒介在腦中成像啊,我想不能。
最後,好像也只剩電磁波了,答案就是:
電磁波是最快的,電磁波無處不在,電磁波比其他無處不在的東西更適合作為感受媒介,電磁波成為了人感受世界的主要媒介(光是電磁波的一部分,媒介這玩意有一點點就夠了吧)

那麼問題來了,為什麼電磁波無處不在,而且竟然還是最快的東西,好巧哦……

至於那個什麼尺度的問題,人的直觀感受不是光的存在好吧,最早人們在思考為什麼能看見東西的時候是這樣想的呢:人眼中會發射出一種東西,這種東西碰到了物體之後,人就看見它了(完全跟光的原理相反了好嗎?)。人對光的認識還是在很晚很晚的時候才慢慢全面的呢……


[ 由此導致了人類不能認識比光子更小的尺度,也不能認識比光速更快的速度? ]

大白天睜眼說瞎話系列……

題主如果一廂情願的這麼認為我也木有辦法╭(╯^╰)╮


其實電磁波速是一切速度的極限...而可見光又是電磁波里的一小部分....把它叫光速只是習慣問題...正確的說法應該是電磁波速...
人類能直觀感受到的可見光只是電磁波譜里很小很小的一部分...其他的絕大多數從長波到微波到紅外線紫外線alpha射線gamma射線人類全都感受不到...但是其實他們都是光速


人只能感知三原色 比起皮皮蝦 你們都太low了!
「 你們這些無知的地球人!」


光,也就是電磁波,是一切物質和能量的基本形態,廣泛的存在,並廣泛的和其它物質發生相互作用,所以易於被利用。同時,它又是最快速和精確的信息傳遞媒介,按照進化論原理,生物很容易在這個方向上進化。最後一個問題,光速為什麼是一切速度的極限。原因和前面一致,就是這個宇宙中實際上只有一種速度,那就是光速,低於光速的物體,是由於其存在內部運動,也就是說,其內部禁錮的電磁波在另外一個維度中運動。想像一個內表面全反射的盒子,有兩束光在其中對稱的反射震蕩,盒子保持不動,此時盒子會對外表現出慣性和質量。為什麼會只有一種速度?別忘了,光是電磁波,電磁波是一種波,波的速度不是恆定的嗎?


光速應該不是最快的吧,現在有很多觀察數據不支持這個觀點。


人所感受到的一切都是通過收集能量信息。光就是一種在人類生存環境中最普遍的能量所以視覺第一敏感。聲波次之所以聽力第二敏感。
並且人類也不是所有光都能看到,有可見光域。根據基因的變異每個人的可見光域都是不同的,但你很難自知。相信我,感知域不是越寬越好,我的聽力感知域高於常人,導致會聽到很多別人聽不到的噪音,非常影響生活。所以說擁有一定的感知域是一種進化,並不僅僅是限制,感知域夠生存就好。跟遺忘是一回事。


我們看到光的行為並不直觀,因此它存在速度,這是在我們的時間尺度測算的。之所以為極限速度可能是作為光的性質,宇宙是脫離時空的(光速時時間停滯,可以存在空間中的任何一點,但它並沒有)。只有低於光速能恰好誕生時空。再點一下,測不到高於光速並不代表不存在。


作為一枚電氣工科生,我來湊個熱鬧。

首先,我想用做閱讀理解的方法,評價一下題主的用詞 :「恰好」,「感受」,「人擇主義」。

恰好,即一種巧合,此處指人能觀測到光的極限和所謂自然界速度極限的一致性的「巧合」(coincidence),暗含了一種猜測的語氣。也表達了題主的懷疑抑或是好奇的心理。

感受,這個詞表意不明。不知道題主是說人類用肉眼能直接觀測,還是說人類能藉助一切手段所測量和認知的? 這導致不少回答者幫你科普,即人類肉眼觀測到的是一定頻譜(frequency spectrum)範圍的光,與光的速度(velocity)沒有直接的關係。我認為,題主的問題標題是缺乏邏輯性的。

人擇主義,幹嘛說兩遍。。。這樣先入為主,自問自答,真的好嗎? 我百度了一下,這個大致是一個上升到了哲學層面的原理。各派科學家哲學家的討論看起來都很有道理的樣子。可惜哥的精力有限,不評價。

後面題主所問的一連串問題,主要圍繞著人類對大自然中的定義(definition)的方法
(approach)和觀測(observation)的可行性( feasibility)。
對此,我想說,
一、定義的方法並不局限於人類的視覺尺度,還有很多其他方法,其他人已回答。
二、可行性是一個工程實際問題,而不是理論上的分析。這一點要分清楚。正如工科和理科的學習方法、思維方式是有所區別的。


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人對自然科學的認知和對所謂真理的評判標準是需要在一定歷史情境範圍的,否則那些問題和空想都對人類實際沒有多大意義。

沒錯,科學的評判標準本身就是人類定義的,最終的目的應該是為人類服務的。

由此引申一個話題:前科學,非科學與偽科學。

此處不深究,我只摘錄一段相關文字。
有一本書,《科學人文讀本.大學卷》(任定成,北京大學出版社)
裡面收錄了一篇保羅·薩加德的文章《占星術是偽科學嗎?》,他從占星術入手,提出了一個區分某個學科是科學還是偽科學的複雜判斷。整個判斷不像確證主義和證偽主義的嘗試,它既引入了邏輯特徵,也引入了社會和歷史特徵。

劃界的判據,需要一個包含三個因素的矩陣:理論、共同體和歷史情境。

理論這一因素,涵蓋了結構、預測、解釋和問題解決等這些東西,但還不足以確定占星術為偽科學。

共同體,指的是占星術的實踐者們所形成的共同體。包括實踐者們對該理論所面臨的問題的理解以及他們是否注意解釋異常現象,並和其他理論的成功記錄作過比較。

歷史情境,包括該理論長期面臨的異常事物,以及它受到其他理論的挑戰。

這樣,他得出了判斷是偽科學的劃界原則:

1、較長時間內,它與其他可供選擇理論相比,進步比較慢,並且面臨許多未解決的問題。
2、其追隨者們卻幾乎不努力發展該理論來解決這些問題,無意在與其他理論的聯繫中來評價該理論,在考慮確證和否證之時,也是有選擇性的。

作者十分嚴謹的提到:上述判據的一個有趣結果是理論可以在一定時期是科學的,而在另一時期則成為偽科學。在托勒密時代,真實開普勒時代,在解釋人類個性和行為上,占星術並沒有多少可選擇的理論。其他理論,也並不比占星術更複雜,更確證。因此占星術雖然現在是偽科學,但在古典時期或文藝復興時期,並不應被視為偽科學。
作者又提到文化相對主義,假設南美叢林中有一批與外界隔絕的占星家,他們不知曉其他理論,對他們而言,占星術是科學的嗎?或者說我們是否可以把一定範圍之外的人們可以知道或將會在某一天了解的理論都算作可選擇理論,這種對「可選擇理論」的寬泛,會讓我們目前最好的理論都很可能成為偽科學。因此作者把「可選擇理論」限定為世界上人們一般都可以得到的理論。首先要假定存在一個共同體成員已經或應已接觸的共同體網路,其次,它假定個人和共同體的一個責任就是弄明白這些可選擇理論。
…………(略)

…………………………………………………………………………

最後總結一下吧:
重複我前面提到的話:

人對自然科學的認知和對所謂真理的評判標準是需要在一定歷史情境範圍的,否則那些問題和空想都對人類實際沒有多大意義。另外,科學是也在不斷發展變化的,人類還有很多東西值得去探索。

科學的評判標準本身就是人類定義的,研究科學最終的目的應該是為人類服務的。它應該符合人類所能認知的。

人類對科學之外的想像是可以有的。甚至我們的想像力也是有限的。說不定「客觀世界」里「存在」什麼奇妙的東西我們連想像都想像不出來呢……

不過呢,請把科學和幻想這兩者區分清楚,至少從定義上。

(end)


如果你學過科學史就知道:光速不變性的提出和對光速的測量都是最近的事情。


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