我经常被问到两个密切相关的问题：

为什么光速(通常用 c 表示)如此惊人地快？
在爱因斯坦关于能量和质量关系的著名公式 E=mc² 中，为何会出现 c² 这个巨大的数字？

确实，光速似乎非常快：光从手机传到你眼睛只需十亿分之一秒，而从地球到月球仅需一秒半。

此外，你体内储存的能量与地球上最强烈的火山喷发以及有史以来最猛烈的核爆炸相当——远远超过你走过房间或提起重物所需的能量。

那么，物理、化学和生物学中到底是什么让这些现象如此令人费解？答案源于粒子物理学及其揭示的物质结构。这个问题非常复杂，因此我将分三篇博文逐步解析。这是第一篇。

问题的重新定义

让我们先把问题表述得更清楚些。本篇讨论的“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 慢。于是，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 c 如此之快？

第二个问题还可拆分为两部分：

2a. 为什么在爱因斯坦的公式中会出现如此巨大的数字？
2b. 为什么这个数字正好等于光速 c 的平方，即 c²？

实际上，问题 1 和问题 2a 几乎是同一个问题，答案也大致相同。但它们的表述仍然不够精准。

“快”和“巨大”是相对概念。我跑得比蜗牛快，但比猎豹慢。我对细菌来说是庞然大物，但对恒星而言微不足道。因此，我们应当从相对的角度重新陈述这些问题，这有助于更深入地思考：

为什么光在真空中的速度比我们人类日常经历的速度快得多？
2a. 为什么普通物体(通过 E=mc² 得到的)质量所包含的能量比日常生活中经历的能量大得多？

宇宙的视角

引言摘自我书中第二章的一段文字：

“众所周知，光具有特定速度，科学家称之为 c，这也是每个光子移动的速度。科学家们几个世纪前就发现，c 大约为每秒 18.6 万英里。这确实很快，我们最先进的飞船速度也远不及此。我上一辆车用了十五年，总行驶里程还不到 18.6 万英里。以 c 的速度，绕地球一圈只需眨眼工夫，从头到脚的距离仅需几十亿分之一秒。

但 c 也很慢。光从地球到月球需要一秒多一点，到太阳需要八分多钟，到最近的恒星则需要四年多。如果我们以接近 c 的速度发射探测器探索银河系，它在我们一生中只能访问几十颗邻近的恒星。

你我体型太小，觉得光像兔子一样跑得飞快。但宇宙浩瀚无边，从它的视角看，光如乌龟般缓慢爬行。”

这段文字提醒我们，人类并非宇宙的中心。地球的大小、质量、温度并不特殊，动物尤其是哺乳动物的特性也不特别。宇宙的运行规律不会因人类的日常事务而改变。因此，我们的视角并不具有优越性，需要意识到其他可能的视角。

从宇宙的角度来看，问题应该是这样的：

为什么人类的速度与宇宙的自然速度相比显得如此缓慢？
为什么人类日常事务中的能量与宇宙尺度下的自然能量相比微不足道？

要理解宇宙如何回答这些问题，我们需要了解“自然速度”和“自然能量”在宇宙尺度上的定义。那么，让我们从速度开始。

自然速度

称 c 为“光速”其实并不合适，因为这可能引发混淆。如前所述，光在普通介质中速度低于 c，但 c 本身不随介质变化。同时，c 也不仅仅是光在真空中的速度，它还是引力波的速度，更重要的是，c 是所有物理对象相对速度的极限。正因如此，我和许多科学家更愿意称 c 为“宇宙速度极限”。

这一定值似乎在宇宙中任何地方都相同(根据我们对遥远天体的观测)，因此每个拥有智慧的生物都可以测量到它。相比之下，其他速度并不具有同样的普遍性。例如，声音的速度随温度和传播介质的不同而变化，在其他星球的大气层或海洋中速度完全不同，无法成为一种所有智慧物种都能认可的速度标准。

宇宙中存在的速度上限，即“光速”c，并非仅仅与光有关。它代表着信息传播的极限速度，也是物理对象之间相对速度的最大值。从宇宙视角来看，c是一种恒定且普遍的自然速度，是宇宙特性的一部分。

c 的稳定性让它成为所有智慧生物都可以测量的速度基准。相比之下，例如声速，它依赖于传播介质的性质，因此无法普遍应用于所有星球和环境。光速在不同介质中可能变化，但“宇宙速度上限”c始终不变，这是粒子物理实验中重要的观察依据。

光速为何独特？

定义“快”或“慢”时，不同物种、环境和测量单位都会影响感知。人类认为的“正常速度”大约是每秒1米，但这是一个高度主观的尺度。如果是蓝鲸或红杉树，它们可能会以与其特性更相关的标准定义长度和时间。因此，从宇宙的角度看，光速c是自然的基准速度，所有物体的典型速度应该是c的合理分数。

然而，从宇宙的视角来看，人类速度实在太慢了。我们的活动像蜗牛爬行，与宇宙中自然速度相比微不足道。

E=mc²中的光速平方

在爱因斯坦的理论中，静止物体的能量由其质量决定，公式为E=mc²。这一关系中的c²是必然的，因为在物理学中，能量与速度平方相关。这种形式的普遍性来源于宇宙中唯一的基础速度c，其他速度不会影响这一关系。

无论在宇宙中任何地点或文化定义，c是能量与质量关系的唯一可能的速度因子。这种关系表明，一个具有质量的静止物体内部储存的能量正是mc²。而物体运动时，其动能将以1/2mv²的形式附加在这基础上。

能量与速度问题的联系

人类日常生活中的能量似乎很小，这与c的相对“快”直接相关。根据公式，当v远小于c时，动能相对于内能的比例极小：

动能/内能=(1/2mv²)/mc²=(v/c)²/2

因此，理解为什么人类生活中的速度远小于c，可以同时解释为什么日常活动中涉及的能量如此微弱。

光速的“快”其实是人类主观感受的产物，而从宇宙角度看，c是自然且正常的速度。接下来将探索粒子物理如何决定了日常生活中的速度为何如此缓慢。

这种提问方式不仅尊重了宇宙的本质，还揭示了真相：人类才是异类。更重要的是，这个视角帮助我们找到答案：普通的原子物质(也就是我们由此组成)非常脆弱。如果一个活体生物相对于周围物体以接近光速运动，它无法承受第一次跌倒或撞上门框的冲击。

今天，我将基于粒子物理的基本原理，结合其对原子物理的影响，证明：任何由原子构成的生物，都会认为光速快得不可思议，相对于日常所经历的速度，简直难以企及。

1. 电磁力让原子外层电子速度极慢

电磁力在粒子物理中算是较弱的力(虽然比重力强得多)，其强度只有强相互作用力的1%。因此，氢原子中的电子以远低于光速的速度运动，其典型速度为光速的约1%(即 v/c∼0.01v/c∼0.01)。

原子外层的“价电子”受到来自原子核的吸引力，同时也受到内层电子的排斥力，这使得实际作用在它们身上的力与氢原子中的情况类似。因此，价电子的速度也大致为光速的1%。

从这一点可以估算出破坏原子的能量(即“第一电离能”)，它与电子的运动能量和“结合能”相当。结果表明，破坏原子的能量仅是电子内在能量 E=mc²的万分之一。

2. 强核力赋予原子巨大质量

原子核由质子和中子组成，这些粒子是强核力的产物。强核力在极小范围内(约为原子直径的十万分之一)表现得极为强大，使质子和中子的质量大约是电子质量的2000倍。

因此，一个典型原子的质量是电子质量的约2万倍，这使得原子内部储存的能量远远超过电子的内在能量。

3. 原子脆弱且难以承受高速碰撞

结合上述两点，可以得出结论：破坏一个原子所需的能量仅是其内部储能的十亿分之二点五。因此，原子极其脆弱，稍大的碰撞能量就能破坏它们的完整性。

为了避免原子在碰撞中受损，两个原子的相对速度必须低于光速的1/20000(约每秒15公里)。超过这个速度，碰撞能量会破坏原子结构，导致严重损伤。

4. 原子生物为何必须“慢慢来”

因此，由原子构成的生命体为了避免每次碰撞都毁灭自身，只能以非常低的速度移动。人类相对于环境的移动速度远低于每秒15公里，甚至普通的跑步速度(每小时11公里)相对于光速都是微不足道的。

这种速度限制适用于地球上的自然生命，也适用于所有可能存在的原子生命体，甚至包括我们可能制造的人工生命。

5. 缓慢才是生存之道

由此可知，宇宙中所有由原子构成的物体，都无法承受接近光速的碰撞。这也解释了为什么光速看起来如此惊人，以及为什么核武器释放的能量如此骇人。宇宙规则简单明了：只有慢，才能生存。

本文译自 profmattstrassler，由 BALI 编辑发布。

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