深度長文：光速為什么不能被超越？（超4000字，建議收藏）

提到光速和光速限制，就不得不把愛因斯坦的相對論拿出來。有人可能會(huì)質(zhì)疑：相對論也不是真理，為何總是拿相對論來說事？

相對論確實(shí)不是真理，但光速與光速限制與相對論確實(shí)密不可分，尤其是狹義相對論。因此提到光速限制，肯定避不開狹義相對論，下面來具體講述一下。

狹義相對論表明，光速是宇宙中的速度極限，當(dāng)然這并不是絕對的，準(zhǔn)確來講應(yīng)該是這樣的：光速是任何信息以及具有靜質(zhì)量物體的極限速度。

但是，為什么光速是物體的極限速度呢？很多人糾結(jié)的一點(diǎn)是：就算單個(gè)物體的速度無法超過光速，那么物體之間的相對速度總可以超過光速吧？

舉個(gè)例子，假如你乘坐一艘飛船，飛船的速度無限接近光速，方便起見，就假設(shè)飛船的速度就是光速。你在飛船上朝著飛船飛行的方向奔跑，那么你的速度是不是應(yīng)該等于飛船的速度加上你奔跑的速度呢？

如果是的話，顯然就超過光速了，果真如此的話，是不是意味著愛因斯坦的狹義相對論就被推翻了？

我們都知道答案，即便是你在光速飛船上奔跑，你的速度也不可能超過光速。如果這么簡單就超過了光速，狹義相對論早就被推翻了，根本不會(huì)等到現(xiàn)在。

那么，問題就來了，你在光速飛船上奔跑，為什么沒有超過光速呢？

因?yàn)樗膫€(gè)字：光速不變！

這簡單的四個(gè)字，其實(shí)隱藏著深刻的含義。我們都知道真空中的光速是每秒30萬公里，而“光速不變”并不是指“光在真空中的速度保持每秒30萬公里不變”，而是指“在任何運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，任在任何參照系下，光速都保持不變”。

什么意思呢？

舉個(gè)例子，我打開手電筒發(fā)射一束光，同時(shí)你以無限接近光速的速度追趕這束光，按照平時(shí)我們用到的相對速度計(jì)算方式（其實(shí)就是伽利略變換），你與這束光的相對速度應(yīng)該幾乎為零。

但事實(shí)并非如此，這束光與你的相對速度仍舊保持光速不變。也就是說。無論你如何運(yùn)動(dòng)，光相對于你的速度都是光速。

這就是光速不變。

可以看出，光速不變徹底打破了牛頓經(jīng)典力學(xué)下的相對速度計(jì)算方式，也就是伽利略變換。其實(shí)這也表明了牛頓力學(xué)體系的局限性，牛頓經(jīng)典力學(xué)適用范圍是有限的，只適用于低速世界，在低速世界下，我們平時(shí)用到的速度疊加公式是成立的，但是一旦來到亞光速世界，就不再適用了，速度疊加公式，也就是伽利略變換的誤差就很大的，必須用洛倫茲變換才行。

為什么一旦來到亞光速世界，牛頓經(jīng)典力學(xué)的誤差就變大了呢？

原因很簡單，牛頓經(jīng)典力學(xué)是以絕對時(shí)空觀為背景的，絕對時(shí)空觀意味著時(shí)間和空間都是絕對不變的，與運(yùn)動(dòng)和參照系的選擇沒有任何關(guān)系。

而在相對論體系下，愛因斯坦認(rèn)為時(shí)空并不是絕對的，而是相對的，時(shí)間和空間都會(huì)因周圍物體的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生相應(yīng)變化。

具體如何變化呢？

愛因斯坦的狹義相對論早就告訴了我們，速度越快時(shí)間就越慢，空間就越短。這就是我們常說的“時(shí)間膨脹效應(yīng)”（鐘慢效應(yīng)）和“尺縮效應(yīng)”。

那么，愛因斯坦怎么知道速度會(huì)影響時(shí)間和空間的呢？

答案就是“光速不變”。在相對論體系下，光速不變只是一個(gè)假設(shè)，也是公理，我們并不知道為什么“光速不變”，只是觀察到了光速確實(shí)不變，有實(shí)驗(yàn)支持，同時(shí)也有理論支持，比如說麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來的光速計(jì)算公式中，光速就是一個(gè)常數(shù)，與任何參照系都沒有關(guān)系。

那么，光速不變?yōu)槭裁匆馕吨肮馑俨豢沙健蹦兀?/p>

剛才說了，一旦來到亞光速世界，在計(jì)算相對速度時(shí)，就不能直接疊加了，不能用伽利略變換了，而需要用到洛倫茲變換。

其實(shí)利用洛倫茲變換就可以得到這樣的結(jié)果：物體的速度越快，質(zhì)量就會(huì)越大，而質(zhì)量越大，讓物體加速就會(huì)變得越困難。當(dāng)物體的速度無限接近光速時(shí)，就無法繼續(xù)讓該物體加速。

其實(shí)這就是狹義相對論中的質(zhì)增效應(yīng)，狹義相對論中，洛倫茲變換是很重要的一個(gè)公式。其實(shí)這也表明了一點(diǎn)，洛倫茲在愛因斯坦之前其實(shí)已經(jīng)無限接近狹義相對論了，只是他不愿放棄絕對時(shí)空觀，從而與狹義相對論失之交臂。

光速不變看起來完全違背了我們的日常生活認(rèn)知，畢竟在我們?nèi)粘Ｉ钪校魏嗡俣榷际窍鄬Φ模夹枰袇⒄障挡庞幸饬x，但光速就是這么特殊，光速不需要任何參照系，或者說在任何參照系下光速都保持不變。

其實(shí)光速的這種特性并不難理解，甚至在我們?nèi)粘Ｉ钪卸伎梢钥吹竭@種類似現(xiàn)象。

光，本質(zhì)上是一種電磁波，也就是說光是一種波。雖然我們很難直觀看到光以波的形式呈現(xiàn)出來，但我們可以用另外一種波來理解：水波。

如果你在游泳館里游泳，以你為中心會(huì)形成水波。這些波浪向外擴(kuò)散的速度就與你的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，無論你游泳的速度有多快，水波相對于你的速度都保持不變，你也不能追上水波。

光這種波也類似這樣，光的速度只與我們所在的四維時(shí)空有關(guān)，而四維時(shí)空就相當(dāng)于游泳館里的水，我們在四維時(shí)空里運(yùn)動(dòng)，就相當(dāng)于在游泳館里的水里游泳。

說白了，光速的背景是四維時(shí)空，因此與四維時(shí)空里的任何物體，以及物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都沒有任何關(guān)系，只與四維時(shí)空結(jié)構(gòu)有關(guān)，與真空中的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān)。

看到這里，你應(yīng)該明白是怎么回事了吧。如果還是不明白，沒有關(guān)系，下面來舉例具體說明一下。

你在一輛汽車上，如果汽車處于一直加速中，你就會(huì)感受到明顯的“背推感”，感受到有力在推著你，感覺自己的后背緊貼在座椅上，而且如果汽車的加速度越大，這種感覺也就越明顯。

在這種情況下，你做任何動(dòng)作感覺都很吃力，動(dòng)作都比平時(shí)要慢一些，各種動(dòng)作都會(huì)變得很遲鈍，然后看起來就好像你的時(shí)間變慢了。粒子也是如此，粒子也有質(zhì)量，在不斷加速的過程中，當(dāng)然動(dòng)作也會(huì)“變慢”。

如果你乘坐的汽車勻速直線行駛，當(dāng)然就不會(huì)有上面那種感覺，不會(huì)感受到力。

而第一種情況的汽車就是非慣性系，而第二種情況，也就是勻速直線形式的汽車就是慣性系。

明白了這點(diǎn)，就更好理解“雙生子佯謬”了。

第一個(gè)場景：

一對雙胞胎兄弟，哥哥乘坐飛船以非常接近光速的速度乘坐飛船離開地球，而弟弟待在地球上。

飛船飛行一段時(shí)間之后返回地球，再次與弟弟相遇，那么此時(shí)的雙胞胎兄弟誰更年輕？哥哥還是弟弟？

答案是：哥哥。為什么？

從狹義相對論來分析，哥哥的速度更快，時(shí)間就會(huì)變慢，當(dāng)然哥哥更年輕了。你可能會(huì)質(zhì)疑：速度是相對的，哥哥相對弟弟以亞光速飛行，弟弟相對哥哥同樣也以亞光速飛行，那么弟弟自然會(huì)更年輕。

這不是出現(xiàn)矛盾了嗎？如何化解這種矛盾呢？

其實(shí)嚴(yán)格來講，這種問題不能用狹義相對論來回答，因?yàn)?strong>狹義相對論是以慣性系為基礎(chǔ)的，而哥哥處于非慣性系，也就是說，哥哥和弟弟所在的參照系是不平等的。

而用廣義相對論來分析就簡單多了。確實(shí)，哥哥和弟弟在彼此眼里都以亞光速飛行，但正如前面所講，這種對比是沒有意義的。從廣義相對論角度來講，哥哥在離開和返回地球的過程中一定會(huì)經(jīng)歷加速和減速過程，按照廣義相對論中的“等效原理”，慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等效，也就是說，哥哥在加速和減速過程中，相當(dāng)于經(jīng)歷了強(qiáng)大的引力場，時(shí)間自然會(huì)變慢。

第二個(gè)場景：

場景一中由于哥哥經(jīng)歷了加速和減速過程，處于非慣性系中，時(shí)間變慢比較好理解。有人可能就提出這樣的質(zhì)疑：如果哥哥一直以亞光速勻速飛行呢？比如始終以0.8倍光速飛行，飛行一段時(shí)間之后，恰好與弟弟擦肩而過。

當(dāng)哥哥和弟弟擦肩而過的一瞬間，兩人誰更年輕呢？

答案是：這種對比沒有意義，所以我也無法回答。為什么沒有意義？

因?yàn)楦绺绾偷艿苁冀K處于兩個(gè)不同的慣性系，于是“同時(shí)”就失去了意義，哥哥和弟弟當(dāng)然無法進(jìn)行比較，只有兩人處在同一個(gè)慣性系，時(shí)間的對比才有意義。

也就是說，在弟弟看來，哥哥的時(shí)間變慢了，哥哥很年輕。而在哥哥看來，弟弟的時(shí)間也變慢了，弟弟很年輕。

其實(shí)這種結(jié)果恰恰反應(yīng)了速度是相對的，也是鐘慢效應(yīng)的一種體現(xiàn)，哥哥和弟弟得到的不同結(jié)果一點(diǎn)也不矛盾，因?yàn)閮扇耸窃诓煌瑧T性系下得出的結(jié)果，這樣的結(jié)果是沒有任何對比意義的。

也就是說，我們每個(gè)人都只用為自己的時(shí)間，也就是“本征時(shí)間”負(fù)責(zé)。何為“本征時(shí)間”？通俗來講就是自己口袋里裝著一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘顯示的時(shí)間就是自己的“本征時(shí)間”。

每個(gè)人都有自己的“本征時(shí)間”，別人的本征時(shí)間與自己無關(guān)，不同的“本征時(shí)間”對比也是沒有意義的。就好比5000光年外的黑洞附近有一顆行星，行星上居住著外星人，那么外星人由于受到黑洞強(qiáng)引力的影響，時(shí)間相對人類就會(huì)變慢。

但外星人時(shí)間變慢對于人類來講沒有任何意義，因?yàn)槿祟惡屯庑侨硕贾挥脼樽约旱谋菊鲿r(shí)間負(fù)責(zé)，外星人的時(shí)間無論快慢，人類也不能“拿過來吃”，對人類來講也沒有任何影響，除非外星人來到地球然后再返回外星人所在的星球，才會(huì)感覺到時(shí)間不同帶來的影響。

好像有點(diǎn)跑題了，重回正題。

剛才說了，光速不可超越是因?yàn)楣馑俨蛔儯鋵?shí)狹義相對論里的所有公式都可以用光速不變來解釋，原因很簡單，因?yàn)?strong>狹義相對論就是在光速不變這個(gè)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的。

比如說光子沒有靜質(zhì)量，為什么沒有靜質(zhì)量呢？還是因?yàn)楣馑俨蛔儯?/p>

為什么？

何為“靜質(zhì)量”？在速度為零的參照系里，物體的質(zhì)量就是靜質(zhì)量，但是對于光子來講，在任何參照系下，速度都保持光速不變。也就是說，光子沒有任何速度為零的參照系，因此光速?zèng)]有靜質(zhì)量。

當(dāng)然，這只是通俗的理解方式，還有很多方式可以詮釋光子為何沒有靜質(zhì)量。

總結(jié)

光速不可超越的原因很簡單，就是因?yàn)楣馑俨蛔?/strong>。而由于速度是距離（空間）與時(shí)間的比值，這意味著要想讓光速保持絕對不變，不同參照系下的距離和時(shí)間就必須做出相應(yīng)改變，只有這樣，才能迎合光速那霸道的絕對性。

舉個(gè)例子，面對同樣一束光，靜止的你和以0.5倍光速飛行的我看到那束光的速度都是光速，如果你和我的時(shí)間空間都絕對相同，我們看到的那束光不可能是一樣的。

之所以我們看到那束光的速度是一樣的，就是因?yàn)楦咚亠w行的你的時(shí)間和空間發(fā)生了相應(yīng)改變，通過這種改變來保證那束光的速度保持光速不變。

也就是說，時(shí)間和空間這兩個(gè)物理量非常有彈性，就像兩個(gè)數(shù)學(xué)矢量一樣，時(shí)刻進(jìn)行協(xié)調(diào)變通，以保證光速的絕對不變。

對于我們來講，速度只有兩種：光速，小于光的速度。那么有沒有第三種呢？我們真的不能以超過光速的速度飛行嗎？

實(shí)際上，大自然并沒有限制任何物體超越光速，大自然才不在乎呢，有本事你隨便超光速。大自然限制的只是四維時(shí)空背景下的“超光速”。

也就是說，光速限制，限制的只是四維時(shí)空里的速度。實(shí)際上，無論是狹義相對論還是廣義相對論，都是以四維時(shí)空為背景的。

言外之意，如果我們能脫離四維時(shí)空，還能完好存在，那將意味著我們將擺脫“光速限制”的速度，可以盡情地以超光速飛行。甚至脫離四維時(shí)空之后，我們只能以超光速飛行，因?yàn)楦呔S時(shí)空的最低速度可能就是光速。

問題就來了：高維時(shí)空真的存在嗎？這個(gè)偉大的問題目前仍舊沒有