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user: 4. 从光速原理导出的推论 光速原理只有简单的一句话，但是以它为基础可以导出一系列推论 [ 10 ] ，这里介绍与本文相关的几个推论。 4.1. 光速的起源 观察式(5)或者式(11)，这两个关系式是等效的，下面以式(11)为例来讨论。本来当质量体 M 1 ， M 2 ， M 3 ， ⋯ 出现时，总的质量体M U 已经不存在；但是如果要使式(11)成立，则要求质量体 M 1 ， M 2 ， M 3 ， ⋯ 与总的质量体M U 同时存在；在什么情况下满足同时存在的要求？可以认为在总的质量体M U 分裂为 M 1 ， M 2 ， M 3 ， ⋯ 的瞬间它们同时存在，该“瞬间”就是宇宙诞生的初始时刻；此外由于惯性，在该“瞬间”它们的运动速度相同并且为光速，这就是光速的起源。换言之，宇宙之初就是一个以光速运动的质量体。 4.2. 超光速的不可能性 宇宙总能量和宇宙总质量是导出光速原理的前提。“总”意味着“1”，即只有唯一的一个质量体，除此之外没有任何其他的质量体；能量依附于质量体，没有质量也就没有能量；总质量必然蕴含了总能量；没有任何其他的质量体意味着除了总能量之外没有任何其他能量。如果认可速度的改变需要能量，而此时再也没有任何一点多余的能量可以用于把速度从已有的光速提高到超光速，那么只有认同超光速是不可能的。 对于一个以非光速运动的有限大小的质量体来说，如果把多于使它达到光速所需要的能量施加给它，该质量体是否可能超光速？从非光速到超光速要经历两个阶段：第一个阶段是从非光速加速到光速；第二个阶段是从光速加速到超光速；假设该质量体可以完整地经历第一个阶段将运动速度提高到光速，即从非光子变为光子；由于施加能量是一个施加作用力的过程，在第二阶段，已经达到光速、成为光子的该质量体必将由于受力而发生分裂。分裂意味着该质量体不复存在，意味着依附于该质量体的各种过程的终结。换言之，一旦质量体达到光速，则再也没有一点给该质量体施加更多能量的机会。光子分裂终结了质量体获得让它超过光速所需要的能量的可能性。这也是为什么各种超光速实验不成功的根本原因。 另外关于超光速还有两个问题需要厘清，第一个问题是物理层面上的与“物”相关或者与质量体相关联的超光速，简言之，就是一定要有一个以超光速运动的质量体，这一层面上的超光速可以称为物理超光速；第二个问题是算法层面上的超光速，算法包括简单的相加或者向量合成等，这时讲的超光速不与“物”或者质量体相关联，可以称之为算法超光速。例如从某一点往相反的两个方向发射两个光子A和B，它们的相对速度为 2c ，它等效于光子A不动，光子B的运动速度为 2c ；如果要从光子A上发射出一个粒子去追赶光子B，该粒子的运动速度必须为 2c 。算法上的超光速只有虚拟意义，例如相对速度为 2c 并不等于光子A或B的运动速度真的因为一相对就从c变成 2c ，而要发射一个运动速度为 2c 的粒子去追赶另一个光子也是不可能的，因为质量体的运动速度不可能超光速。 通过各种数学处理得到的算法超光速是虚拟的与质量体无关的超光速，并不意味着在物理上存在与之对应的真实的与质量体相关的超光速，或者简单地说，算法超光速不等于物理超光速，在物理上不存在超光速。 4.3. 瞬间传输的不可能性 “瞬间”意味着时间无穷小，因为速度等于长度除以时间，则相应的速度无穷大。如果超光速是可能的，那么不停地超光速下去，逻辑上讲就有可能让速度趋于无穷大。速度无穷大的传输可以瞬间完成，这就是所谓的“瞬间传输”。这里的前提是超光速；从逻辑上说，如果认可上述超光速的不可能性，那么该前提就是不成立的，随之相关的瞬间传输也是不可能的。 牛顿给出的万有引力定律中没有时间量。这一点被解读成牛顿认为引力速度是无穷大 [ 15 ] ，即引力可以瞬间传播至任何地方，不管距离有多远，引力都能瞬间到达 [ 16 ] 。如果认可瞬间传输的不可能性，那么引力瞬间到达也是不可能的。 再从另外一个角度来看，如前所述，当只有一个质量体时，不满足万有引力定律的适用条件，没有引力，这是宇宙之初，此时该质量体以一个以光速运动的光子。随后该光子分裂，出现两个以上的质量体，满足万有引力定律的适用条件，引力出现。如果引力传播速度大于光速、甚至无穷大，那么分裂产生的质量体尚未跑远即被引力拉回，根本不可能形成目前质量体数量无穷多的宇宙体系。 作者在文献 [ 10 ] 中指出，引力传播速度就是产生该引力的质量体的运动速度；光速是引力传播速度的极限。 4.4. 在相同时间及相同方向上光子存在的唯一性 首先明确一点，本小节中所讨论的光子是指从一个光源发射出来的光子。从接收光子的角度去看，当与光源之间的距离足够远时，该光源看过去为一个点，称为点光源。另外，这里还隐含了一个前提即这些光子的运动状态不受引力的影响，光子的运动状态不受影响意味着光速不变，而光子的运动状态之所以不受引力的影响则是因为它们的质量太小，这基本上也是人类所能感知到的光子现状。 在相同时间及相同方向上光子存在的唯一性是指在同一条直线上，不可能同时出现两个光子。从几何上说，通过一个点可以画无数条直线(与此对应的物理图景是一个点光源辐射出无数条光线)。下面所说的直线均为出自同一个点(光源)的直线。 由于光速相同，如果在一条直线上同时出现两个光子，这两个光子必然因为碰撞而分裂，分裂导致光子能量变小，这样一来也许就做不出激光。另外，碰撞产生的分裂光子的运动方向是随机的，而事实表明在激光指向范围之外探测不到激光信号，这意味着构成激光的光子相互之间没有因为碰撞而发生分裂，说明在一条直线上没有同时出现两个光子。 唯一性可以进一步衍生出下列推论。 4.4.1. 光子的不可追赶性 唯一性指出在一条直线上，不可能同时出现两个光子；反之，在一条直线上如果出现两个光子，它们在时间上必然不是同时出现的，在位置上必然是一个在前面、一个在后面；由于速度相同，后面的光子永远赶不上前面的光子。这是光子的不可追赶性。 4.4.2. 光子的辐射性 如果从某一点往同一方向同时发射两个光子，由于前述的唯一性，这两个光子必定不在同一条直线上，它们的运动方向有一个夹角，这是光子的辐射性或者发散性，简称光子辐射。 在宇宙尺度上可以较好地理解和想象光子的辐射性。光在宇宙真空中沿直线传播一年时间所经历的距离称为一光年(≈ 9.46 × 10 15 m)。关于宇宙大小的一种说法是：地球距宇宙边缘之间的距离约137亿光年(≈ 1.3 × 10 26 m)。1962年，人类首次使用激光照射月球。地球离月球的距离约3.8 × 10 8 m，激光在月球表面的光斑直径不到2 × 10 3 m。如图1所示，假设把月球移开，让这束激光照射到与地球相距137亿光年的地方，根据三角形相似性可以计算出此时的光斑直径约为6.8 × 10 23 m，是地球平均直径(1.27 × 10 7 m)的5.4 × 10 13 倍，即相当于5.4 × 10 13 个地球。 图1. 根据相似性，估算从地球发出的一束激光在137亿光年距离上的光斑直径 4.4.3. 光子运动方向的随机性 在光子的辐射性定义中，如果去掉“同一方向”的限制条件，即从某一点同时发射两个光子，则它们的运动方向是随机的、无法确定的，这是光子运动方向的随机性。 4.4.4. 光子空间分布的离散性 由于光子的随机性，由接收光子的角度来看，光子在空间位置上的分布必然是离散的或者分散的，这是光子空间分布的离散性。 4.4.5. 光子空间分布的规律性 假设从某一点发射光子，如果光子数量稀少，则光子运动方向的随机性导致光子空间分布的离散性；如果光子数量巨大，对这些光子行为的统计平均将导致光子运动方向的随机性被规律性所取代，与之对应的光子空间分布的离散性也将趋向于规律性或者连续性。 例如，设有一个可以360˚发射光子的点光源，一方面它发射出来的每一个光子的运动方向是随机的，另一方面大量随机方向的统计平均结果就是看起来点光源发射出来的光子分布于整个球空间，这意味着在任意一个空间位置上的质量体都有可能接收到来自该点光源的光子。 4.4.6. 质量体在接收外来光子的同时自身也在发射光子 这一推论可以这样来理解，如果在空间中只有一个点光源和一个质量体，把点光源发射出来的光子称为外来光子。那么该质量体有可能接收到外来光子，也可能接收不到外来光子。假如该质量体被无数个点光源环绕，则它必然接收到外来光子。并且从概念上说，随着质量体对外来光子接收时间的无限拉长，外来光子的总数将趋于无穷大，相应地外来光子的能量之和将趋于无穷大，这将导致质量体的能量趋于无穷大。但实际上这种情况并没有发生，尽管该质量体一直在接收外来光子，但是其能量基本上处于平衡状态，这说明该质量体在接收外来光子的同时自身也在发射光子。是否可能质量体接收的是光子，发射的是非光子？如果是这样，由于存在速度差导致的输入大于输出，仍有可能让质量体的能量趋于无穷大；所以最合适的选项是输入和输出或者能量交换均以光子的形式进行；换言之，质量体本身也是点光源，这样就将光速引入到了以非光速存在的质量体。辐射体是一般形式的点光源，由此可以进一步衍生出黑体辐射的概念。 4.4.7. 光子波动性观念的起源分析 下面主要以一个点光源发射出大量光子的情况为例展开讨论。根据前述推论，在同一时刻、同一方向上不可能有两个光子，在同一时刻从点光源发射出来的光子运动方向必然不同，当光子数量巨大时，各个方向的光子数量分布呈现出均匀性；另一方面因为光速相同，在同一时刻从点光源发射出来的光子所经历的距离必然相同；如果以点光源为中心，将相同距离的光子连接在一起，这些光子均位于同一个(三维)球面上，此时点光源所在位置为该球面的球心。用一个平面经过球心切割球面，两者的截交线是一个(二维)圆周，球心所在位置即为圆心。在该圆周的不同位置上分布着一系列光子。下面讨论圆周的情况。 不难想象，如果在一个圆周上有数量足够多的光子，那么这些光子彼此将紧密相邻，使得该圆周曲线变成一条圆线形式的光线，这是从静态来看。引入时间因素即从动态来看，则有一系列同心圆，这些同心圆逐次排列开去，在整体上呈现出波动的效果。 如果从圆心引出穿过所有同心圆的径向直线，该径向直线与各同心圆的交点处可能有光子，也可能没有光子；它代表了在不同时间、在同一方向上从点光源发射出来的光子。如果这些光子的数量足够多，那么它们将彼此紧密相邻，使得该径向直线变成一条直线形式的光线，或许这就是几何光学中的光线概念的起源。 如果我们的讨论到此为止，很容易形成光既是圆(曲)线、又是直线的印象。问题是光子并没有到此停止，假设光子不受阻碍地继续前进，为此需要在一个足够大的、可以把问题说清楚的空间范围内来讨论问题。 不难理解，在保持圆周上的光子数量不变的前提下，随着时间的推移，由于圆周越变越大，圆周上两个相邻光子之间的距离也将越拉越开，圆线将被拉断，逐渐变成线段、再变成点。保持圆周上的光子数量不变意味着质量/能量守恒；如果在圆周变大的情况下还想保持圆线连续，那么只有不停地在圆周注入新的光子，即增加光子的总量，但是这意味着不满足质量/能量守恒。 实际上，成为圆线并不是因为波动，首先是因为光子数量太多，其次是因为(离点源即球心的)径向距离太近，根本原因则是光子的发散性，而这种发散性又是由于在同一方向、同一时刻不可能有两个光子决定的；另一方面，在保持光子数量不变的前提下，如果径向距离非常远，即使光子数量再多也不会成为圆线；如果光子数量稀少，径向距离再短也不会成为圆线。与此同时，由于光速相同，径向直线上两个相邻光子之间的距离不会变化，在同一条径向直线上的光子始终保持为一条直线，或许这就是几何光学中认为光线为直线的理由。 上述分析可以通俗地用一个绳圈来比喻。想象用一条绳子围成一个绳圈，然后让绳圈不断扩大。这里分为两种情况，第一种情况是如果绳圈的总长度不变，那么绳圈终将被扯断，其连续性将被破坏；第二种情况是，如果保持绳圈的连续性，即扩大之后还是一个绳圈，就必须不停地增加绳子长度，也就是说绳圈的总长度是变化的。从绳圈总长度的角度去看，这是一个二选一的问题，两个选项分别是绳圈总长度不变和绳圈总长度可变。绳圈总长度不变等效于引入了守恒的概念，而绳圈总长度可变意味着不守恒。二选一问题只能挑取一个选项，不能两个都挑取，也不能一个都不挑取。换言之，如果认可守恒，则相应的情形是绳圈被扯断，连续性被离散性所取代；如果不认可守恒，那么通过不停地增加绳圈的长度，可以保持绳圈的连续性。物理中最基本的守恒是质量守恒，是否认同质量守恒是不同物理观分歧的最初起点。绳圈总长度不变实际上对应着质量守恒，绳圈被扯断意味着质量(体)的分裂。下面继续沿着这一思路深入讨论。