走进科学
为什么光速如此之快
我常被问到两个自然且相关的问题：
1. 为什么光速(通常用c表示)如此惊人地快？
2. 为什么在爱因斯坦著名的能量与质量关系式E=mc²中，c²这个巨大的数字会出现？
光速的确快得惊人——它可以在十亿分之一秒内从手机传到你眼中，在一秒半的时间内穿越地球与月球之间的距离。而且，你身体中储存的能量相当于地球上最猛烈的火山爆发和最强大的核弹爆炸，远远超过日常生活中的能量消耗，比如走路或者提重物。
那么，究竟是什么原因导致了这些现实中的不可思议现象？答案源自粒子物理学和物质的基本结构。虽然有些复杂，但我将逐步讲解。
问题的重新定义
首先，要明确我所说的“c”是指光在真空中的速度。在空气、水或玻璃等介质中，光速比c要慢。所以，第一个问题可以更精确地表述为：
为什么光在真空中的速度如此惊人地快？
第二个问题也可以分成两部分：
2a. 为什么在E=mc²中会出现如此巨大的数字？
2b. 为什么这个巨大的数字恰好是光速的平方，即c²？
我们会发现，问题1和问题2a本质上是相同的，并且有相似的答案。但它们的表述还需要进一步优化。因为“快”和“巨大”是相对的概念。要真正理解这些问题，我们需要从宇宙的视角来看待这些现象。
宇宙的视角
我们总是从人类的视角来看待宇宙，但实际上，我们并不是宇宙的中心。地球的大小、质量、温度对宇宙没有特殊意义。因此，我们的日常速度和能量并不能代表宇宙中的“正常”。从宇宙的角度看，这些问题应该是：
为什么人类的速度与宇宙的自然速度相比如此缓慢？ 2a. 为什么人类日常事务中的能量与宇宙中的自然能量相比如此微小？
自然速度
称c为“光速”其实会引起混淆。光在材料中的速度变化，而c在真空中保持恒定。更重要的是，c不仅仅是光的速度，它也是引力波的传播速度，更是所有物理对象的相对速度上限。因此，c被称为“宇宙速度上限”更加合适，它是宇宙的固有特性。
相比之下，声速会随温度和介质变化，而光速也会因材料不同而变化，但宇宙速度上限是恒定的，是所有智能生命都能测量的宇宙标准。
为什么E=mc²中的c²会出现？
无论光速c是大是小，为什么能量E与质量m的关系中会出现c²？爱因斯坦的基本主张是，即使是静止的物体也储存有能量，具体来说，这个能量与其“静止质量”有关。任何能量与质量的关系都必须涉及速度的平方，这是物理学中基本的维度分析。
所以，c²之所以出现在E=mc²中，是因为它是宇宙中唯一的固有速度，与物质的基本性质有关。
更准确地说，这速度应该被称为“宇宙速度极限”，它大约是每秒186,000英里(约30万公里)，确实看起来很快。但这个问题问得并不准确，因为它暗示了人类居于中心地位，觉得宇宙有点奇怪。这种思维方式是错误的。我们应该问的是：为什么我们自己如此缓慢？这不仅能让我们尊重宇宙，还能明白真正的“异类”其实是人类自己。这样的思考方式还会带我们接近答案。
答案就是：普通的原子物质——我们由此构成——非常脆弱。如果一个生命体以接近光速的速度运动，它根本无法在第一次摔倒或撞到门框时幸存。
今天，我将用一个基于粒子物理学的原则性论证来说明，任何由原子构成的生命都会觉得宇宙速度极限远比日常生活中的速度快得多。
1. 电磁力让原子的外层电子变慢
电磁力在粒子物理学标准中是相对较弱的，电子在氢原子中运动的速度远低于光速，约为光速的1%。类似地，任何原子的外层电子都以大约光速1%的速度运动。2. 强核力让原子拥有巨大质量
原子的中心有一个由质子和中子组成的原子核。强核力非常强，它把质子和中子牢牢地捆绑在一起，并赋予了它们接近于氢原子质量的大小。3. 慢速电子和庞大质量的原子非常脆弱
将外层电子从原子中拉出所需的能量与原子内部的巨大能量相比微乎其微。这意味着原子非常容易受到破坏。4. 脆弱的原子无法承受快速碰撞
如果两个原子以超过光速的1/20000的相对速度碰撞，原子很可能会失去电子，造成不可修复的损伤。5. 原子构成的生命体必须缓慢移动
为了避免在碰撞中破坏原子，生命体的运动速度必须极慢，远远低于光速的1/10000。这解释了为何我们对光速感到惊讶。
总之，任何由原子组成的物体都无法承受接近光速的碰撞。这就是为何宇宙速度极限对我们来说如此快，而核武器如此可怕的原因。简单来说，在这个宇宙中，只有慢速才能生存。
本文译自 profmattstrassler，由 BALI 编辑发布。