光速c是一个常数,它等于299792458m/s。在一些场合下,它被当作一个单位,也就是1。关于光速有两个论断,一个论断是它是一种相对速度的极限,超过这个相对速度的速度是不存在的;另一个论断是它是始终不会变化的,不管在什么惯性系里面(没说非惯性系),光速都是一样的。
现在就出现这么一个问题,我们知道速度总是能叠加的,那么速度叠加对于光速这个速度来说,到底能不能成立。
比如有被观察者S,骑自行车,车上有一个手电筒,向前发射光子。假定他骑自行车和观察者S’的相对速度为v,那么手电筒发射的光子和S’的相对速度是多少?此时你会说,套一下狭义相对论公式就行了。显然这件事并非如此简单。手电筒发射的光子相对于手电筒的相对速度肯定是光速c。但是这个光子相对于S‘的相对速度是不是c+v,也就是速度叠加是否成立,这是一个很大的问题。要讨论这个问题首先得知道光速是什么。
它是一个速度,显然是一个速度。而速度由两个部分相比而得到。分子是长度,分母是时间,它确实是一个数值,但是构成这个数值的是两个东西之间的关系。时间容易理解,那么长度是什么?在只有震动存在的理论中,其实就只有时间(时刻之差)和频率,再没有其它东西,排除时间之后,就剩下频率。但是既然时间是时刻之差,那么用频率比上时间并不是一个有意义的概念,而用频率之差比上时间,也就是,
正好是一个有效的导数形式。可以把它还原为变化率的极限形式,
单独时刻上事件发生的次数也是没有意义的,只有相邻时刻构成的时间段中发生特定事件的次数才是有意义的,
合成为,
比例的两重极限相当于二阶导数,
考虑,其它变量随之缩小,
这就回到了它最初的样子,或者说,最初的样子就是这么推导出来的。既然c是一个二阶导数,而且它的数值不为0,那就说明存在变化且变化的速率也是变化的,具体来说就是频率在微小的时间里面发生了变化。而我们如何度量时间呢?实际上也只有在频率发生变化的前提下,才能感知时间的前进。换句话说,和
就是时间进程的两种表达方式,从时间的角度来说,也是频率升降的两种表达方式,从频率的角度来说。
那么这说的是谁的频率呢?只有观察者,观察者的频率。观察者观察谁的频率呢?只有他自己的频率。观察者如何能观察自己的频率呢?有两种情况,一个自己的频率提升了,反观先前的频率,一个是自己的频率下降了,反观先前的频率。如果自己的频率没有变化,反观先前的频率就无法实现,因为没有所谓的“先前”,于是也没有所谓的观察自己。所以能够实现观察的前提,就是自身频率在局部时间范围里面的上升或者下降,若频率保持不变,则无法实现自我观察。既然频率有升有降,那么假定则结果
是可正可负的。但是观察者总可以认为
和
同号,也就是假定频率在微小时间中提升是时间正方向,或者假定频率在微小时间中下降是时间正方向都可以,也可以假定频率在微小时间中提升是时间反方向,或者假定频率在微小时间中下降是时间反方向也都可以,也就是观察者总可以认为
和
异号。这就构成了频率走向和时间走向的四种可成立的关系。频率本身也有存在性度量的意义,比如高频率观察低频率则认为低频率的存在性不足,空洞又不真实,反之低频率观察高频率则会认为高频率是更为致密和实在的。
回到和
,这两个数值本身是没有意义的,比如
如果没有用于参照的1秒的时间长度,正负增量为
次就没法计算或者体现出来。所以不论
还是
,没有第三方标准就没有可描述的度量结果。然而若不计数,
和
就可以认为是单一单位和它的倒数。那么这个单位若可被度量,它就体现为一个周期,我们通常把周期写成-1或者0,具体情况具体分析,于是,
这两种写法都是对的。这说明,用我们的单位,比如1Hz或者1s,度量这个或者
得到的都是周期的极限:比如1秒钟时间里面,观察者自身频率的提升为
(不是实际数值),而这个数值是观察者频率提升的最大能力。若超出这个数值,则认为就是这个数值,若低于这个数值,则按照实际情况计算。这就是所谓的光速。
现在回来看自行车上的手电筒,对于S来说,光子发出去,S能够接受的极限就是1秒钟时间频率提升,这就是光子的光速。而对于S’来说,S’能接受的也是这个极限,那么哪怕S已经有了一个不为0的频率提升基础,再加上这个1秒钟时间频率提升
,结果超出了
,对于S’来说,极限也是一样的,S’最多能接受
的频率提升,超出这个范围的频率提升被截断到这个数值。所以只要S和S’两者都具有一样的频率提升接受范围(带宽),那么最后这个光子对于各自的相对速度,就都是一样的光速c。也就是对于S来说,
但实际上就是
,只是超出
的部分S接受不了,就当它不存在而已。但是这个效果仍然存在(如果要求能量守恒必须成立),体现为光源接近导致的蓝移。如果是光线发射方向和S运动方向相反,就体现为红移。相对论纵向多普勒公式为,
其中蓝移红移
。然而,这个算法是不对的,因为它假设了惯性系的时间不可区分,正确的算法应该惯性系的时间可以区分,也就没有平方和根号的问题,
其中蓝移红移
。在这里也能看出狭义相对论的做法,因为假定惯性系频率不可区分,所以红移和蓝移各自算一次,然后做几何平均数(几何平均数常用于增长率的计算)。具体来说,就是,
导出,
两边相乘,
两边开方,
同样顺着这个思路,再看狭义相对论的平方根形式,因为观察者分不清惯性系S和S’(所有的惯性系都是等价的),于是写出,
整理,
两边各自相乘,
可见,又一次导出狭义相对论,确实就验证了几何平均数的想法。
再仔细看,
其实就是时间(时刻差)的比等于长度的比,而这是因为对于任何惯性系,频率差和时刻差也就是时间的比都是定值,而这个定值就是这个惯性系的光速。
上述分析可以看出,频率提升或者下降本来就是单方面的,而导致狭义相对论的表述带根号的是求几何平均数的结果。正是因为我们这样认识世界,我们才会认为光速不可超越,但的存在是明摆着的,而且就在运算过程和结果中都必须存在,所以超越光速是一定可以实现的,只是我们没有这么去理解和认识它(也可能和我们给物体加速的方式有关,比如依赖动量守恒定律)。而一旦按照狭义相对论指出的方式去理解世界,观察者就会被困在因为分不清彼此而造成的假象里面,进而选择一个无法逃离的陷阱,而且是自己的执迷不悟造成的。反之若意识到绝对速度的本质就是自身可接纳的震动频率的带宽,就能意识到陷阱从来就不存在,观察者可以通过修改自身的频谱而去任何可以想到地方而只需要很少的时间。
那么,狭义相对论就真的不对吗?也不见得。实际上这里相当于,你选择哪一种理解方式,你就选择了哪一种光子。比如你选择狭义相对论对速度叠加的理解,你就选择了具有那些速度特征的光子,而若你选择了超光速的理解,你就选择了另一些特征的光子。那么难道说手电筒发射的光子和选择有关?一半相对论一半非相对论?显然不是这个意思,而是手电筒发射光子这件事本身就可以有不同的意思。手电筒发射光子这种叙事是不是唯一的,都是问题。因为因果总可以向前溯源,一个结果本身就可能对应于多种原因。
回来看光速定义式的两种形式,
可见它可以作为某个数值的平方,由此它也必定可以作为某个数值的平方根,尝试写成平方的平方根的形式,
关于真空介电常数部分,
关于真空磁导率的部分,根据楞次定律,
其中磁感应强度B由无限长螺线管产生,
假定变化的是电流,
带入光速计算式,
对比,
分离出,
可见此处虚数单位的大小决定于相继两个维数数量的比值。这个比值可以用填充来实现。比如用斐波那契数列的形式用线填充一个闭合区间。
这个图像看上去像是用面积填充面积,但是考虑到零宽线段本质上也是一个二维面,在自增的过程中面积会不断放大,这个斐波那契数列构成的填充面在指数放大过程中将会显示为一个螺旋线构成的的圆面。需要说明的是,并不是一维可以填充二维,而是一维本身就是二维。一维和二维的差别在于前者是后者增速的两倍。这里的虚数单位的数值已经计算过,它是最接近于的一个斐波那契数。
再看另一部分,
解出,
可见电荷Q就是那个单增过程(它就是电子)。我们知道,
其多少阶的导数都是自身的形式,所以在某点上一阶导数和二阶导数数值必然相等。
从关于电荷Q的方程中,并不能看出极限来,但是,
给出了微分时间内的最大填充范围。而,
的根号里面的,
给出了微分时间内频率的最大提升数值。这就确保了光速c对于观察者来说是最大的。而且对于这种观察者来说是恒定的。当然观察者也可以认为其它观察者也是这样的,但那些,
的观察者体现出来的状态可能与预想的不同。既然如此,可以假定存在任意数值的,也就是说,任意数值的单位时间频率的增量,或者任意频率本身。这个数值本身可能是没有上限的。
由此来说,相对速度就是当下增长速率的快慢的比较。低于某个增长速率的比较结果就是普通的相对速度,超过某个增长速率的比较的结果,会被特定增长速度的数值截断。对于每一个观察者来说,这个增长速率被认为是恒定不变的,正如单位反观自身永远都是一样的大小。每一个观察者的增长速率可能略有不同,但由相同物质构造的观察者的增长速率受到这相同物质增长速率的限制,比如无处不在的电子,就决定了光速的大小不能超过电子增长速率的大小。即便超过了,也被认为至多如此。