深度长文：光速为什么不能被超越？（超4000字，建议收藏）

提到光速和光速限制，就不得不把爱因斯坦的相对论拿出来。

狭义相对论表明，光速是宇宙中的速度极限，当然这并不是绝对的，准确来讲应该是这样的：光速是任何信息以及具有静质量物体的极限速度。

但是，为什么光速是物体的极限速度呢？很多人纠结的一点是：就算单个物体的速度无法超过光速，那么物体之间的相对速度总可以超过光速吧？

举个例子，假如你乘坐一艘飞船，飞船的速度无限接近光速，方便起见，就假设飞船的速度就是光速。你在飞船上朝着飞船飞行的方向奔跑，那么你的速度是不是应该等于飞船的速度加上你奔跑的速度呢？

如果是的话，显然就超过光速了，果真如此的话，是不是意味着爱因斯坦的狭义相对论就被推翻了？

我们都知道答案，即便是你在光速飞船上奔跑，你的速度也不可能超过光速。如果这么简单就超过了光速，狭义相对论早就被推翻了，根本不会等到现在。

那么，问题就来了，你在光速飞船上奔跑，为什么没有超过光速呢？

因为四个字：光速不变！

这简单的四个字，其实隐藏着深刻的含义。我们都知道真空中的光速是每秒30万公里，而“光速不变”并不是指“光在真空中的速度保持每秒30万公里不变”，而是指“在任何运动状态下，任在任何参照系下，光速都保持不变”。

什么意思呢？

举个例子，我打开手电筒发射一束光，同时你以无限接近光速的速度追赶这束光，按照平时我们用到的相对速度计算方式（其实就是伽利略变换），你与这束光的相对速度应该几乎为零。

但事实并非如此，这束光与你的相对速度仍旧保持光速不变。也就是说。无论你如何运动，光相对于你的速度都是光速。

这就是光速不变。

可以看出，光速不变彻底打破了牛顿经典力学下的相对速度计算方式，也就是伽利略变换。其实这也表明了牛顿力学体系的局限性，牛顿经典力学适用范围是有限的，只适用于低速世界，在低速世界下，我们平时用到的速度叠加公式是成立的，但是一旦来到亚光速世界，就不再适用了，速度叠加公式，也就是伽利略变换的误差就很大的，必须用洛伦兹变换才行。

为什么一旦来到亚光速世界，牛顿经典力学的误差就变大了呢？

原因很简单，牛顿经典力学是以绝对时空观为背景的，绝对时空观意味着时间和空间都是绝对不变的，与运动和参照系的选择没有任何关系。

而在相对论体系下，爱因斯坦认为时空并不是绝对的，而是相对的，时间和空间都会因周围物体的运动而发生相应变化。

具体如何变化呢？

爱因斯坦的狭义相对论早就告诉了我们，速度越快时间就越慢，空间就越短。这就是我们常说的“时间膨胀效应”（钟慢效应）和“尺缩效应”。

那么，爱因斯坦怎么知道速度会影响时间和空间的呢？

答案就是“光速不变”。在相对论体系下，光速不变只是一个假设，也是公理，我们并不知道为什么“光速不变”，只是观察到了光速确实不变，有实验支持，同时也有理论支持，比如说麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式中，光速就是一个常数，与任何参照系都没有关系。

那么，光速不变为什么意味着“光速不可超越”呢？

刚才说了，一旦来到亚光速世界，在计算相对速度时，就不能直接叠加了，不能用伽利略变换了，而需要用到洛伦兹变换。

其实利用洛伦兹变换就可以得到这样的结果：物体的速度越快，质量就会越大，而质量越大，让物体加速就会变得越困难。当物体的速度无限接近光速时，就无法继续让该物体加速。

其实这就是狭义相对论中的质增效应，狭义相对论中，洛伦兹变换是很重要的一个公式。其实这也表明了一点，洛伦兹在爱因斯坦之前其实已经无限接近狭义相对论了，只是他不愿放弃绝对时空观，从而与狭义相对论失之交臂。

光速不变看起来完全违背了我们的日常生活认知，毕竟在我们日常生活中，任何速度都是相对的，都需要有参照系才有意义，但光速就是这么特殊，光速不需要任何参照系，或者说在任何参照系下光速都保持不变。

其实光速的这种特性并不难理解，甚至在我们日常生活中都可以看到这种类似现象。

光，本质上是一种电磁波，也就是说光是一种波。虽然我们很难直观看到光以波的形式呈现出来，但我们可以用另外一种波来理解：水波。

如果你在游泳馆里游泳，以你为中心会形成水波。这些波浪向外扩散的速度就与你的运动无关，无论你游泳的速度有多快，水波相对于你的速度都保持不变，你也不能追上水波。

光这种波也类似这样，光的速度只与我们所在的四维时空有关，而四维时空就相当于游泳馆里的水，我们在四维时空里运动，就相当于在游泳馆里的水里游泳。

说白了，光速的背景是四维时空，因此与四维时空里的任何物体，以及物体的运动状态都没有任何关系，只与四维时空结构有关，与真空中的磁导率和介电常数有关。

看到这里，你应该明白是怎么回事了吧。如果还是不明白，没有关系，下面来举例具体说明一下。

你在一辆汽车上，如果汽车处于一直加速中，你就会感受到明显的“背推感”，感受到有力在推着你，感觉自己的后背紧贴在座椅上，而且如果汽车的加速度越大，这种感觉也就越明显。

在这种情况下，你做任何动作感觉都很吃力，动作都比平时要慢一些，各种动作都会变得很迟钝，然后看起来就好像你的时间变慢了。粒子也是如此，粒子也有质量，在不断加速的过程中，当然动作也会“变慢”。

如果你乘坐的汽车匀速直线行驶，当然就不会有上面那种感觉，不会感受到力。

而第一种情况的汽车就是非惯性系，而第二种情况，也就是匀速直线形式的汽车就是惯性系。

明白了这点，就更好理解“双生子佯谬”了。

第一个场景：

一对双胞胎兄弟，哥哥乘坐飞船以非常接近光速的速度乘坐飞船离开地球，而弟弟待在地球上。

飞船飞行一段时间之后返回地球，再次与弟弟相遇，那么此时的双胞胎兄弟谁更年轻？哥哥还是弟弟？

答案是：哥哥。为什么？

从狭义相对论来分析，哥哥的速度更快，时间就会变慢，当然哥哥更年轻了。你可能会质疑：速度是相对的，哥哥相对弟弟以亚光速飞行，弟弟相对哥哥同样也以亚光速飞行，那么弟弟自然会更年轻。

这不是出现矛盾了吗？如何化解这种矛盾呢？

其实严格来讲，这种问题不能用狭义相对论来回答，因为狭义相对论是以惯性系为基础的，而哥哥处于非惯性系，也就是说，哥哥和弟弟所在的参照系是不平等的。

而用广义相对论来分析就简单多了。确实，哥哥和弟弟在彼此眼里都以亚光速飞行，但正如前面所讲，这种对比是没有意义的。从广义相对论角度来讲，哥哥在离开和返回地球的过程中一定会经历加速和减速过程，按照广义相对论中的“等效原理”，惯性质量与引力质量等效，也就是说，哥哥在加速和减速过程中，相当于经历了强大的引力场，时间自然会变慢。

第二个场景：

场景一中由于哥哥经历了加速和减速过程，处于非惯性系中，时间变慢比较好理解。有人可能就提出这样的质疑：如果哥哥一直以亚光速匀速飞行呢？比如始终以0.8倍光速飞行，飞行一段时间之后，恰好与弟弟擦肩而过。

当哥哥和弟弟擦肩而过的一瞬间，两人谁更年轻呢？

答案是：这种对比没有意义，所以我也无法回答。为什么没有意义？

因为哥哥和弟弟始终处于两个不同的惯性系，于是“同时”就失去了意义，哥哥和弟弟当然无法进行比较，只有两人处在同一个惯性系，时间的对比才有意义。

也就是说，在弟弟看来，哥哥的时间变慢了，哥哥很年轻。而在哥哥看来，弟弟的时间也变慢了，弟弟很年轻。

其实这种结果恰恰反应了速度是相对的，也是钟慢效应的一种体现，哥哥和弟弟得到的不同结果一点也不矛盾，因为两人是在不同惯性系下得出的结果，这样的结果是没有任何对比意义的。

也就是说，我们每个人都只用为自己的时间，也就是“本征时间”负责。何为“本征时间”？通俗来讲就是自己口袋里装着一个时钟，时钟显示的时间就是自己的“本征时间”。

每个人都有自己的“本征时间”，别人的本征时间与自己无关，不同的“本征时间”对比也是没有意义的。就好比5000光年外的黑洞附近有一颗行星，行星上居住着外星人，那么外星人由于受到黑洞强引力的影响，时间相对人类就会变慢。

但外星人时间变慢对于人类来讲没有任何意义，因为人类和外星人都只用为自己的本征时间负责，外星人的时间无论快慢，人类也不能“拿过来吃”，对人类来讲也没有任何影响，除非外星人来到地球然后再返回外星人所在的星球，才会感觉到时间不同带来的影响。

好像有点跑题了，重回正题。

刚才说了，光速不可超越是因为光速不变，其实狭义相对论里的所有公式都可以用光速不变来解释，原因很简单，因为狭义相对论就是在光速不变这个基础上推导出来的。

比如说光子没有静质量，为什么没有静质量呢？还是因为光速不变！

为什么？

何为“静质量”？在速度为零的参照系里，物体的质量就是静质量，但是对于光子来讲，在任何参照系下，速度都保持光速不变。也就是说，光子没有任何速度为零的参照系，因此光速没有静质量。

当然，这只是通俗的理解方式，还有很多方式可以诠释光子为何没有静质量。

总结

光速不可超越的原因很简单，就是因为光速不变。而由于速度是距离（空间）与时间的比值，这意味着要想让光速保持绝对不变，不同参照系下的距离和时间就必须做出相应改变，只有这样，才能迎合光速那霸道的绝对性。

举个例子，面对同样一束光，静止的你和以0.5倍光速飞行的我看到那束光的速度都是光速，如果你和我的时间空间都绝对相同，我们看到的那束光不可能是一样的。

之所以我们看到那束光的速度是一样的，就是因为高速飞行的你的时间和空间发生了相应改变，通过这种改变来保证那束光的速度保持光速不变。

也就是说，时间和空间这两个物理量非常有弹性，就像两个数学矢量一样，时刻进行协调变通，以保证光速的绝对不变。

对于我们来讲，速度只有两种：光速，小于光的速度。那么有没有第三种呢？我们真的不能以超过光速的速度飞行吗？

实际上，大自然并没有限制任何物体超越光速，大自然才不在乎呢，有本事你随便超光速。大自然限制的只是四维时空背景下的“超光速”。

也就是说，光速限制，限制的只是四维时空里的速度。实际上，无论是狭义相对论还是广义相对论，都是以四维时空为背景的。

言外之意，如果我们能脱离四维时空，还能完好存在，那将意味着我们将摆脱“光速限制”的速度，可以尽情地以超光速飞行。甚至脱离四维时空之后，我们只能以超光速飞行，因为高维时空的最低速度可能就是光速。

问题就来了：高维时空真的存在吗？这个伟大的问题目前仍旧没有答案，在座的各位可以发挥你的想象力，尽情想象高维世界。

完！