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有人说：“世界上只有两种转换法则，不是洛伦兹就是伽利略，而后者是错的，所以有速度限制。”这样以结果回答问题的解释我不能满意。 其实类似的问题还有很多很多： 1、为什么能量是量子化的 2、为什么单个光子携带的能量和它的频率挂钩 3、为什么存在惯性 4、为什么力和反作用力必须一起出现 等等等……可谓车载斗量。 和大多数人想象的相反，这些问题并不是科学的研究目标。 或者说，科学有可能偶然找到这些问题的答案；但科学不以寻求这类问题的答案为目标。 甚至可以说，这样提问题，和科学的研究思路恰好是背道而驰的——这也是很多答主认为这类问题无意义的一个原因。 为什么会这样呢？我们需要先从更为基础的东西谈起。 1、当我们要表述一样事物时，首先必须取得一些基本共识。 不然我说的是牛头，你对的是马嘴……这样的对话是不是就没法正常进行了？ 所以，首先我们得先确定，你说的牛头是这种动物的头：
绝对不能错到这种动物的嘴上：
如果搞错了，那么除了有可能在浪费大量时间后，发现“双方认知存在差异、需要建立统一认识”之外，没有丝毫价值——反正随便你们谈什么，肯定全都是牛头不对马嘴。 很明显，不仅是牛头和马嘴要有明确定义，谈论中用到的每个词都得达成确切共识。不然照样会捅出漏子。 在这点上，各大流派并无多大争议。 2、那么，如何才可能达成共识？ 有一派说，世界是非真实的。我睁开眼，世界就被我想象出来了；我闭上眼，世界消失。 你看，你有办法和他达成共识吗？你不过是人家想出来的东西而已。 ——你以为你在思考，其实是人家想象你在思考所以你才以思考的样子和人家对话…… ——甚至你看他闭眼装神棍儿的样子可气，捅他一刀，他也会想“这是我的实验，我想试试我可不可以想象自己被伤害”…… ——你看，你甚至永远都别想在人家面前证明自己也有脑子。 ——你就是杀掉他，证明世界没有因他而毁灭，他也不会知道了。 ——然后还会有其他人，觉得整个世界都是人家的想象。 所以，我们永远不可能和那些不想和你达成共识的人达成共识。 另一个流派。 他们说，一沙一世界，一叶一菩提。 他们说菩提本非树，明镜亦非台。 你看，只要愿意相信，我们可以在任何事情上达成共识——哪怕是自由即奴役、战争即和平这种屁话。 数学和科学在诸多流派中独树一帜。 它们既不是“不肯和任何人达成共识”，也不是“通过文字游戏就能达成一堆共识”。 它们“假定某些元知识肯定正确”，然后以这些“假定正确的元知识”作为基础共识；之后就不再引入其它任何东西，仅依靠这些共识来研究/探索世界。 举例来说，欧几里得几何学就只依赖五条公设； 再比如说，科学说，数学说得对，但是如果每个人扔石头都是抛物线，那么我们也得把“石头扔出去后走抛物线”当成共识——换句话说，可以把“大家都可以做实验验证”并且“验证正确”的东西也当作共识。 ——然后我们就可以想办法剖析这样的一组组“实验事实”之间的内在联系、再拿这些“被总结的联系”（定律/理论）引导人们发现或者发明更多更有趣的东西。 3、达成共识的方法决定了基础概念和研究手法，然后决定了它的可探索领域 很明显，一旦像数学和科学这样明确限制了“达成共识的方法”，那么它们就不可能任意搞出什么东西了。 事实上，何止是“不可能搞出任意的什么东西”，数学和科学的研究者甚至都不再能任意选择自己的研究课题了——你欧几里得几何学的再好，也没法拿它来证明“林志玲有没有爱上我”，对吧？ 类似的，诸如神存不存在、宇宙创始之前是什么、存不存在真理、找出哪怕一条真理等等问题，也全都不可能被数学/科学研究了。 ——所以玄学总有办法解释一切，而科学常常连最为司空见惯的平凡事物都无法解释。 然而，这样“这也不行那也不能干”的学科，在探索特定领域时却意外给力。 看！凸透镜会放大图像！为什么？放大图像的规律是什么？ 你看，这么没意思的研究，能搞出什么？骗经费吧？砍了吧？ 但是没想到，这么一研究，显微镜有了，望远镜出来了；瘟神失去了权柄，嫦娥搬出了月宫——最终，就连上帝都不得不把天堂搬到宇宙创生之前。 ——你看，科学是没法事先知道自己能搞出什么的。 ——当年它要知道自己能把上帝赶出宇宙……还有人敢研究吗？火刑架都给你准备好了，文火哦。 ——你说要证明上帝存在？你准备拿什么当立足点？乱找立足点可不是科学哦。 ——你说牛顿那时候怎么不研究量子力学？压根没有任何探测手段，连基本概念都没法建立，研究个毛！ 类似的，为什么存在速度限制、为什么存在惯性等等，科学不可能拿这种大而无当的东西当研究目标砸入大量资金；但，倘若在探索原子核内部结构或者观测宇宙的过程中，拿到了足够的证据，这些证据又恰好被人发现可以拿来解释这类问题，科学并不会禁止——然而，除非这种研究可以引导着发现新的、其它理论无法解释的实验现象；否则即便提出来了，也只能当成一个无法验证的假说而束之高阁。 换句话说，我们或许会碰运气解决它，也许永远无法解决它；但无论如何，除非已经有了较为清晰的图景，否则科学绝不会为这种科目立项。 说的更准确点，科学研究的是“是什么”——或者叫“求真”。 很多时候，知道了某种东西“是什么”、某某现象背后的规律“是什么”，很多“为什么”就迎刃而解了。比如月亮为什么会有圆缺之类（注意这个直接研究“为什么”往往是白白劳民伤财；但先点了看似八杆子打不着的“几何学”的技能点的话，问题就迎刃而解了：没法直达目标，通过求真四处探索、继而撞大运解决问题，这是科学的局限性，也是人类能力所限）。 这也是后来科学能把宗教打得满地找牙的原因。因为它们的信口雌黄实在太多了，恰好被“较真”的科学克制。 但，必须注意，能解决很多“为什么”并不等于能解决所有的“为什么”；更不等于可以改变研究目标，从“求真”变成别的什么玩意儿。那就不再是科学了。 因此，科学绝不会研究“为什么存在速度限制”；但它可以研究“爱因斯坦的相对论真的符合实验事实吗”、“速度增加质量真的随之增加了吗”、“速度增加时间真的变慢了吗”、“物质落入黑洞的过程究竟是怎样呢”、“引力波真的存在吗”、“黑洞合并过程的细节”甚至“有人提出了质量起源假说，LHC的实验数据能否支持它”等等问题。 在这类问题的研究中，我们很可能可以给出非常精确的、关于“为什么存在速度限制”的答案；但也有可能，我们还需要“求”得很多很多的“真”，才能摸得到这个问题的边缘——甚至于，我们永远不可能回答它（这只是个可能而已，我希望这不是真的）。 总而言之，科学只能研究和回答“关于某些实在性的东西，究竟真还是不真”的问题，并不能解答所有问题（比如著名的“车库里一条看不见的、喷着没有温度的火焰的龙”问题，科学不光不会研究它，还对提出者满是鄙夷呢）。  举例来说，从来没有人是冲着“我要发现万有引力原理”这样宏大的目标行进的——凡这样宣布的，不是骗子就是妄人——相反，科学家们是通过解决“看起来应该可以解决的一个个小目标”，然后无意闯进经典力学殿堂里面的。 请问理论科学家是如何提出自己的理论的，难道只是自己的猜想吗？ 因此，回答题主的问题：目前科学界的确有很多猜测；但这些猜测因无法证伪而不能成为科学理论。 真正“有理有据”的只有两种，一是根据迈克尔逊·莫雷实验，光速不符合叠加原理，换句话说光速不变（然后推导出洛伦兹变换/相对论乃至闵氏空间）；在这个体系里，光速不变地位相当于公理（所以反过来拿它们的结论去证明光速不变就成了循环论证）。 二是麦克斯韦方程：
图片引自：孙研：如何深入浅出地讲解麦克斯韦方程组？ 这个方程你可以理解为，电磁场的相互转换就好像空气中的声波一样，通过动势能转换而传播。但和声速由空气弹性系数以及空气分子平均质量决定不太一样，决定它传播速度的是真空介电常数和真空磁导率——而真空介电常数和真空磁导率是两个定值；既然它们是定值，那么光速当然也是定值。 同时，现代物理已经把强弱相互作用和电磁力统一，且认为万有引力也能和电磁力统一（但实验所需能级太高，太阳系大的加速器都难以完成实验）；既然粒子间相互作用都是（统一后的）电磁力（归根结底是电磁波），那么粒子间相互作用的速度上限自然也不可能超过光速了（不过，如此一来，为何粒子速度会低于光速、为何会有“质量”就成了新的问题。标准模型的“希格斯粒子”就是为了解释质量起源问题而提出的，且已经在LHC中发现其踪迹 希格斯场_百度百科）。 当然，这只是把问题推远了一步而已。因为接下来我们就不得不回答“为何真空介电常数/磁导率是定值”以及“真空介电常数/磁导率为何一定要是这个值”——这些问题我们现在尚无法回答（我知道有一种“真空衰变论”，认为真空也有许多不同能级，不同能级上的基本物理规律不同；它或许能解释为何真空介电常数/磁导率会是现在这个样子。但这个理论无法证伪，甚至无法令人信服的把真空能级和真空介电常数/磁导率拉上关系，所以只能束之高阁）。 既然谈到这里了，不妨多说点。 其实下面这些内容，是我在本问题下另一个答主那里的回复。当然了，反驳了人家的论点。所以这人可能有点不乐意，选择性的把我的回复删的只剩一条。 既然人家不乐意看，我又不想这些东西石沉大海，那么还是放自己回答里吧。 从哪里谈起呢……咱还是先看两篇科普文吧： 引力波很简单，只需要你先搞明白爱因斯坦的相对论…… | 科技袁人 听三位诺贝尔奖得主讲引力波 | 袁岚峰 这两篇文章先存心里，咱从牛顿时代说起。 牛顿力学那时候，我们其实对时空没什么认识。 基于我们自身的经验，我们理所当然的以为，第一，时间和空间毫无瓜葛；第二，空间是平坦的。 基于这个认识，我们提出了运动的线性叠加原理。这就是所谓的“伽利略变换”。 再后来呢，我们发现了“电磁波”；电磁波有一点很特殊，它是电场和磁场的相互转换——现在我们知道，它和声波不太一样；但在当时，它类比于声波是很恰切的：声波是压缩空气产生的弹性势能和构成空气的分子/原子的动能之间的相互转换，而电磁波是电场能和磁场能的相互转换。 因此，所有的波都可以用一些结构非常相像的公式描述出来。而这种相像也使得人们自然而然的猜测……就好像声波依靠空气传播一样，电磁波依靠什么传播呢？当然是一个可以在其上激发电场/磁场的东西啊。 这个东西，我们现在叫它“真空”或者“时空”；而当时的人叫它“以太”。 “以太”看不见摸不着；“真空”不“空”，它充斥着以太；至于真空……那就是平坦的空间而已，是无需讨论无法研究的背景。 既然电磁波的承载物是“以太”，那么“以太”的性质又是什么呢？ 这就引出了“迈克尔逊·莫雷实验”——按照我们的生活经验，声波的承载物是空气；那么当我们相对于空气运动时，声速自然会和我们与空气的速度差叠加；那么，我们的地球相对于“以太”运动的话……会不会出现光速和我们地球的速度叠加现象呢？ 当时的科学家自然而然的认为，这种事嘛……还用说吗，肯定一下子就把地球相对以太的速度测出来了！ 当然了，大家都知道，结果是……光速不变。 这下可麻烦了。要么地球就是宇宙的中心（这显然太荒谬了）；要么……可能性就多了。 一大堆解释里，爱因斯坦的狭义相对论脱颖而出。 他抛弃了“以太”假说，以“相对于所有参照系，光速不变”为基本原理，加上“所有惯性系里物理规律一致”，创造了狭义相对论。 请特别注意“相对于所有参照系，光速不变”这一句。 很多人相信，借助麦克斯韦方程就可以直接推导出“光速不变”，这是错误的。 如果你了解经典物理，就知道在同样的温度、压力下，声速也不变。 但这个“不变”是相对于波的承载物（介质）的（对声波是空气，对电磁波就是“以太”）；（按照常识来讲）有承载物，就有速度叠加；“相对于所有参照系，光速不变”实际上否定了光的承载物“以太”——麦克斯韦方程可没办法否定“光有承载物”（事实上，后面我们将会看到，我们还会把光的承载物找回来，只是现在把它改名叫“时空”）。 在迈克尔逊莫雷实验完成之前，真正能给那时候的科学家暗示的其实是“波粒二象性”，尤其是“物质波”——但是这个暗示太隐晦，跳跃性太大，以至于没人能在迈克尔逊莫雷实验之前抓住它（事实上，哪怕是现在，都还没法把相对论和量子力学统一；当然，“统一”和“抓住暗示”还是有很大差别的）。 因此，以太和相对论的根本矛盾并不是“光的传播需不需要介质”，而是“这种介质的性质究竟是什么样子的、和其他物质如何交互”——牛顿力学觉得以太和海水和空气差不多，只是比空气更看不见摸不着而已，但从根本上说，它是平凡的，把我们的“常识”推广过去就完了；而相对论则认为“时空”是一切物质/能量的承载者，它和其他事物的交互是我们前所未见的，遵循极为特殊的规律。 总之呢，狭义相对论出乎意料的把时间和空间联系起来了，我们叫它“时空”；时空的性质（运动的叠加不服从伽利略变换，而是服从洛伦兹变换）决定了信息传播有一个最大速度——或者说，基于“光速不变”构造出来的“相对论时空”具有一个性质，这个性质就是“光速是信息传播的最大速度”。 爱因斯坦并未就此止步。 他敏锐的发现，“引力质量”总是等价于“惯性质量”；换句话说，重力场和加速度场同源。 这个发现证明，时空是有结构的——真空并不是空无一物，空间本身也有某种“物质性”，也可以被改变、被“扭曲”。这种“扭曲”对外就表现为万有引力。 不仅如此，时空的扭曲也可以像波一样对外辐射，这就是引力波。 虽然空间看似空无一物，丝毫不会阻止我们在其中运动；但它本身是非常非常“坚硬”的，硬到远方两个黑洞合并、把两三个太阳质量都转化为引力波这样的大事件，也不过会在LIGO那长达4公里的光路上，造成千分之一个原子直径的差距！ 但不管怎么说，空间的确会“动”；我和你的距离，的确会凭空缩短（虽然只缩短了那么一瞬间）。 LIGO实质上就是个特大号的、超精密的迈克尔逊·莫雷实验装置。 当引力波到来时，这个特大号迈克尔逊莫雷实验，测出了光程差。 你看，光（以及我们知道的一切物质）的确有承载物。只是这个承载物并不是过去猜测的、平坦而平凡的“以太”，而是奇诡的、只能以“闵氏空间”描述的、把时间都绕进去的相对论时空！ 所以，“以太”说并不是错在为光寻找了一个虚无飘渺的“承载物”，而是错在它只让这个承载物承载了光、把其他物质放在一边；它不是错在太多余而是错在拉进来的东西还太少（比如，它并不认为时间和空间有任何关系，从而错误的忽略了“时空”这种介质的特殊性）；或者说，它不是错在“虚无飘渺”，而是错在“缺乏根据”——相对论时空比以太更诡异更“虚无缥缈”，但它有迈克尔逊莫雷实验给它的提示，这个提示帮它站稳了脚跟，又为它指明了方向。 最终，还是同样原理的迈克尔逊莫雷实验装置，否定了以太却证实了引力波——证实了时空涟漪。 物理学里，实验结果就相当于“公理”；和数学只有“从公理推导出一整个体系”这一个方向不同，物理还有“设计一堆不同的体系以迎合所有公理”这个方向——后者就叫理论物理。 正是迈克尔逊莫雷实验结果这条公理是否被发掘出来这点差别，使得惊才绝艳的牛顿也只能局限于以太+平直时空+伽利略变换的经典物理；也正是敏锐的注意到了“惯性质量”和“引力质量”等同这个司空见惯的“实验事实”，才使得爱因斯坦提出了广义相对论、揭示了“时空有结构”这个秘密——这个事实是如此震撼，以至于爱因斯坦本人都以为自己搞错了（据说他关于引力波的、最初的论文认为引力波不存在，那仅仅是“基于坐标变换搞出来的小魔术”；后来才听从别人劝告，把论文改成了论证“存在引力波”；今人虽然相信引力波理论应该是对的，但在真的探测到之前还是有些忐忑：毕竟以太几乎还“尸骨未寒”呢）。 但我们真的按他的提示发现了引力波——在那个曾经把“以太说”撞的头破血流的装置上。 ——我们现在才刚刚证实了“时空的确有结构、且对时空结构的扭曲的确可以形成引力波”而已。关于时空的更深层次知识，我们还一无所知。因此，我们只知道“有速度上限”，但却回答不了“为何有速度上限”。 ——将来，随着引力波及其他方面的深入探索，我们可能会得到更多的“实验事实”；这些实验事实或许能帮我们发现关于时空的更多特殊性质；在时空性质的深入研究过程中，我们或许就会知道“为何会有速度上限”了。 我们必须有一个着力点，才可能借此揭示更深的奥秘。这就是科学的限制，也是科学最大的长处。 太多太多的“为什么”，我们实在找不到着力点（也可能着力点已经在我们手里，只是我们还不知道怎么用而已）。所以，我们才说它们不是一个可以研究的科学问题。 当然，我们会一直努力寻找更多的“着力点”——这就是实验物理的意义——但能找到什么、它们会把我们引到什么方向，这是谁都决定不了的（想想从 以太-否定以太这种承载物-时空-时空作为承载物所以有引力波-引力波真的影响了迈克尔逊莫雷装置 这条一波三折的路线吧）。  RECOMMEND - 点个在看你最好看 - |
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