通俗硬核科普：為什么宇宙會將最大速度限制在光速？

速度是時間的快進鍵，而光速是時間的暫停鍵。當達到光速，時間靜止；當超過光速，時間快退。

要理解這個問題，就一定要理解一個很重要的事實：

時空是相對的，每個人感受的時空會受速度影響而變得不一樣（其實引力也會影響，但這里不討論）這一點是理解下面所有內容的前提。

當你在無限接近光速的飛船上，飛向一光年遠的星球，你的時空和觀察者的時空是獨立的（在公式中會是兩個量：t 和 t0）。

觀察者看到你飛了一年，終于到達了目的地，而你感覺只過去了幾分鐘，一下就到了一光年遠的地方。

牛頓的舊時空理論認為，時空是絕對且唯一的。不管飛多快，你一個來回，跟地球上的人經歷的時間應該一模一樣（t=t0)。愛因斯坦告訴我們，這是錯的。但這卻是最符合直覺的，也是大部分人想的樣子。

看到這里你可能會有兩個問題：

1. 上面例子一光年，不是說好的光要走一年嗎？咋一下就到了？

一年，是觀察者的參考系，而你，處于接近光速的你，已經身處另一套參考系。你們感受的時空并不一樣。造成這種不一樣的，是速度。

2. 為什么平時我們感覺不到彼此時空的差異？

感覺不到，是因為差異極小。小到跑步的你，相對靜止的別人每秒時間只慢一億億分之一秒。

你們所處的空間系也不一樣。運動的你，引力勢比靜止的人大。但在遠小于光速的情況下你都察覺不到這些差異。

理解了上面這些，下面就講速度與時間的關系：

把時間拉長，如果你在無限接近光速的飛船里過完一生呢？

最勁爆的回答是：你可能過不完這一生了……

因為還沒等你過完一生，宇宙就已經毀滅了。

在你無限接近光速的一生中，外面的世界可能過去了百億年（其實遠不止，后面會講）。

另一個勁爆的問題：如果光子有意識的話，宇宙對它來說是什么感覺？

答案是，它沒有時間概念，沒有之前和過去，它的時間在我們看來是「暫停」的，它更沒有宇宙創生的感知，因為創生這個定義本身就基于時間。

所以，如果你想進行時間旅行，想看到宇宙末日的景象，最好的辦法就是駕駛無限接近光速的飛船不停地飛呀飛。你可能才飛幾天，地球就已經毀滅了，才飛幾個月，太陽就燃燒盡了，才飛幾年，宇宙就迎來熱寂了，才飛十年，宇宙就開始大收縮了，二十年，整個宇宙重新變成一個奇點，你也不復存在了。但整個過程你只經歷了 20 年。所以：

速度是時間的快進鍵。快進程度，僅取決于你接近光速的程度。當達到光速，時間靜止；當超過光速，時間快退。但達到和超過光速是不可能的，我們只能無限接近光速。這變相說明兩個事實：

1. 我們的存在，離不開時空；

2. 不能「回到過去」，只能「回到未來」。

所以，光速和時間最確切的關系就是：光速是時間的暫停鍵。

所以，你策馬奔騰、與人共享人世繁華其實是在按時間的快進鍵，只不過這個程度非常非常微弱，你完全察覺不到。但當你策馬奔騰的速度越來越接近光速的時候，這個變化就明顯了，可以說非常巨大。巨大到什么程度？

那么突然殺出第三個勁爆的問題：以光速運動的飛船，飛船內部的時鐘顯示，剛好早上 9 點整從地球出發（無加速，瞬間光速），問：到達一光年遠的星球上時是幾點？

答案是早上 9 點整。

飛船內部的人完全無自知地就已經到了目的地了，你以為還沒出發，實際已經到了。你意識飄忽的一瞬，在沒有時間的虛無里可能是永恒，可能是彈指一揮，二者沒有區別。你意識空白的那一剎那，就是經歷了這種永恒或一瞬的虛無。而觀察者則結結實實過了一年。

這是極限情況：速度=光速。它意味著無論多遠的距離，你對來說，不需要時間就能到達。這變相說明第三個事實：

3.在無限接近光速時（沒達到光速），去再遠的地方，都是一瞬間（納秒級），而觀察者可能經過了 100 億年。這種接近程度越高，越傾向于不需要時間，實際所花時間就越接近零。

所以，當我們無限接近光速的時候（99.99999999999999999999999999%），哪怕去 10 萬光年遠的地方，耗時也是納秒級的。而觀察者，很悲催地等了你 10 萬年……可以說非常望眼欲穿了。（后面有數學證明，實際情況遠遠比這個比例恐怖。）

星際穿越里的橋段，男主帶領隊員去巨浪星球，一個來回花了幾十分鐘，回來后，留守的老黑早已經白發蒼蒼，他說：「我苦苦等了你們 23 年……」

列一個公式和大家繼續說明：

狹義相對論慢鐘效應公式。

t 是運動參考系時間，t0 是靜止參考系時間（觀察者），v 是運動者速度，c 是真空光速。

可以看出四點：

1.當 v 遠小于 c 時，t 幾乎等于 t0，差異可以忽略不計，所以你感覺不到。這正是地球上發生的一切。牛頓時空理論體現的也就是這種情況。

2.當運動速度 v 無限接近 c 時，無論觀察者 t0 多大，運動者經歷的時間 t 都趨向無限小。這就是為什么天堂方一日，人間已千年。

3.當 v=c 時，無論 t0 經歷多久，t=0，也就是運動者的時間靜止。這不允許發生。

4.當 v>c 時，無論觀察者 t0 如何，運動者的時間 t 都是個虛數，對應了空間一點。同樣不允許發生。

計算一些數據，讓你直觀感受：

如果以光速的 99.999……%（小數點后面精確 13 個 9）飛行一光年的的距離，運動者感知所花的時間是 1.41033 秒。可見差距多么大。你在飛船里面眨了一下眼就到了。你身體細胞的新陳代謝就只是經過了這 1.41033 秒，而觀察者則看你飛了一年時間。

時間對比：1 年 VS. 1.41033 秒。

那如果接近光速的 99.999……% 呢？（小數點后面 20 個 9）

那將是： 時間對比：100 萬億年 VS. 6.307 秒

也就是說：100 萬億光年的距離，你在里面感覺只飛了 6.307 秒就到了。觀察者看你飛了 100 萬億年，而你在里面只過了 6.307 秒，等你到的時候，觀察者早已連灰都不剩了。所以，「天下武功唯快不破」是真理啊！

所以：如果你以這個速度飛行，你大概一秒都飛不到，宇宙就滅亡了！（宇宙至今才 140 億年歷史。）

另外，針對有人質疑說，電影里時間變慢是因為黑洞，不是速度啊。是的，你很冰雪聰明。這篇我們探討的主要是速度對時間的影響。事實上，引力造成的空間曲率變化也會將時間變慢，而這種變化同樣只在引力非常巨大的時候才會很明顯。而黑洞就是這類。試想這樣一個畫面：你漂浮在黑洞的安全區周圍，看著你的同伴被引力拉向黑洞，整個過程會是怎樣？

答案是：你會看到他越來越慢、越來越慢，最終靜止在黑洞視界。其實他還在加速運動，只是你永遠看不到。因為時間和光被禁錮在黑洞視界，所有掉進黑洞的物體，影像都會被存在視界上，成為永恒。

所以黑洞并不一團全黑，它往往有一個非常「亮」的指環，那是吸汲恒星盤的「余暉」。這個亮，不一定是可見光，而是高能輻射。（請參考霍金輻射理論，黑洞視界上能量依然可以逃逸，會有玻爾茲曼漲落的正負粒子對，一個吸入視界，一個逃逸，總量守恒。）

以上主要講的是光速和時間。

另外解釋一下對參考系的疑惑。

第一個問題就是： 以接近光速運動的人和觀察者應該是一個時間感覺才對啊，觀察者看他走了一年，他自己也應該感覺走了一年啊。

上文說到了，這是牛頓的舊時空理論，它的本質就是認為時空系是唯一的，每個人經歷的時間感是一樣的。然而這是不對的，時空系（或者慣性系）是相對且不唯一的，每一個速度不一樣的物體，其時間感都是不一樣的，只有當速度差異接近光速的時候，這種不一樣才會非常明顯，否則你幾乎察覺不到。

舉個例子：

這個例子其實就在你身邊，GPS 定位。 衛星高速運動帶來的時間變慢（其實還包括引力效應造成的時間變慢，這里不討論），大概是每秒比地面接收站慢一千億分之八秒，很微弱很微弱。但是，就這一千億分之八秒的時間變慢，會讓導航誤差偏離 400 米左右。所以衛星的時鐘都要人為調快一千億分之八秒，也就是一年要快千分之三秒，這樣你才能精確定位。

最后一個問題：

為什么有質量的物體不能達到和超過光速？

因為當物體逐漸接近光速，消耗的能量將成指數增長，且物體自身動態質量 M 會變得越來越大（參考愛因斯坦相對論方程和質能方程，這里不貼了）。如果達到光速，消耗的能量和動態質量 M 都將無窮；如果超過光速，將開始消耗負能量，而這對我們來說都是不可能的。故，無法達到和超過光速。

那么突然襲來第四個勁爆的問題：

如果一個有質量的物體真達到了光速，自身動態質量 M 也變得無窮大，會帶來什么后果？

回答之前，首先你要明白的是，動態質量 M 不等于靜質量，它是數學的等效，更確切地說，它其實就是能量的另一種表現（質能方程告訴我們，質量和能量其實是一回事，兩種表現形式罷了）。

那么會帶來什么后果呢？

答案是這個物體將具有無限的能量。它的動質量可能造成巨大的引力勢阱，大到無窮。那是什么？

沒錯，是黑洞！

所以，宇宙從各個方面很巧妙地限制了你達到光速。巧妙得有點像設計好的一樣……

那么終極勁爆問題來了：

誰設計的？

如果人類能實現接近光速飛行，那飛船里是不需要大型維生系統的（比如完整的生態鏈）。因為就算飛幾光年、上百光年遠也就一瞬間的事，帶上小型維生系統以應對不測就行了。

所以有些科幻片的飛船里設計有大型生態鏈，甚至有森林，然后飛船又是光速飛行的，那就很不硬科幻了。因為曲率引擎也沒有加減速的概念，更沒有工質引擎的加速感，所以并不需要森林那么夸張的維生系統。去半人馬座，帶個士力架、一瓶農夫山泉足夠跑個來回了。

可能我說的是歌者文明，三體文明另說……扯遠了。