深度长文：为什么光速不可超越？（近5000字，建议收藏）

我们都知道，宇宙存在光速限制，任何物体的速度都不可能超过光速。但是不知道你有没有深入思考过，为什么光速不能被超越呢？

简单来讲，光速限制是爱因斯坦的相对论中的一个基本原理，也可以理解为是一种前提，如果物体的运动速度超过了光速，意味着相对论就是错误的，就被推翻了。但是相对论历经一百多年仍旧屹立不倒，说明这个基本前提是靠谱的。

不过，我也知道，这种解释简直太小儿科了，而且逻辑上似乎有些问题。看起来好像是以“相对论是正确的”为前提倒推出来光速是不可超越的，似乎有点霸道不讲理，当然不能让所有人心服口服。

给人的感觉好像是这样：如果光速被超越了，相对论就错了。所以为了保证相对论是正确的，光速就一定不能被超越。

那么接下来就让我们一起来走进相对论和光速的世界，为何说光速是不可超越的。

相对论诞生的基础就是对时间和空间的颠覆性认知。在我们的传统思维里，时间就是时间，时间与空间没有任何关系。通俗来讲就是时间和空间都是绝对的，两者毫无关系，这也是牛顿经典力学体系下的绝对时空观。

但是到了爱因斯坦这里，就完全不一样了，他提出了相对时空观，任何时间和空间不仅仅是相对的，而且两者是有机的整体，是不可分割的。任何把时间和空间分开讨论的行为，其实都是没有意义的。

也就是说，时间和空间不能单独存在，两者必须同时存在。时间和加上三维空间就组成了我们所在的四维时空。

举个通俗的例子就明白时间和空间为何必须同时存在了。

你计划明天与心爱的女孩约会，让关系更进一步。你肯定会提前告诉女孩约会时间和地点，也就是时间和空间。如果你只告诉女孩“明天上午10点约会”，而没有告诉她地点（也就是空间），这样的约会就没有任何意义。反之也是一样，如果你只告诉她约会地点，而没有时间，同样没有意义。

但对于很多人来讲，单独理解时间或空间都不是什么难事，但是对于“时空”的概念总是充满了各种疑惑，很难想象出时空到底是什么模样。

事实上，很多人正是卡在了对“时空”的理解上，没有理解相对论体系下的时空到底是什么概念，所以无法真正理解相对论的精髓，以至于本能地排斥相对论。

如何理解时空的概念呢？简单来讲就是，宇宙万物时刻在时空中运动，而不是在时间或者空间中运动，因为时间和空间是不可分割的，你不可能逃离时间然后在空间里运动。

这点看起来很容易，但要想真正理解其中的含义却并不简单。

我们平时所说的速度只是都是指空间的速度，其实是不严谨的，甚至严格来讲是没有意义的。但为什么我们还会这样说呢？

拿我们平时的跑步来举例说明。比如说，你百米速度是15秒，也就是每秒大约不到7米。这个速度通常指水平方向的速度，因为我们都会选择在地面上奔跑。

实际上，空间有三个维度，通俗来讲就是“长宽高”，日常生活中任何物体的速度都是这三个维度的速度叠加之后合成的，这一点很好理解，初中数学水平就能理解。

用物理学术语来描述就是：物体在空间里的速度就是在三个维度运动的合成速度。最终的速度可大可小，比如说你奔跑的速度是每秒7米，高铁的速度能达到每秒100米，这种速度有大有小的现象太常见了，我们也丝毫不会在意，因为这就是我们的日常生活经验：宇宙事物有千千万，不可能都保持同样的速度，就像是不可能每个人同样富裕一样，总会有穷人和富人之分，即便是都是富人，也会有等级之分。

看到这里，爱因斯坦有话要说了：NO，你们都错了，宇宙万物的运动速度都是一样的，不仅仅都是一样的，而且都是以光速运动！

看到这里，你可能会一脸懵逼，甚至想骂街：你疯了吧？博尔特的百米速度刚刚超过每秒10米，你竟然说“万物都以光速运动”？

再回味一下之前我所说的“我们平时所说的速度其实都是指空间上的速度”，你可能意识到了什么。

因为空间和时间是一体的，当物体在空间里运动时，肯定也会在时间维度运动。也就是说，严格来讲，万物是在时空里运动，而不是在空间里运动。

“时空”和“空间”，一字之差，却会带来完全不一样的结果。

刚才我所说的“万物都以光速运动”，具体来讲就是“万物都以光速在四维时空里运动”，而不是“万物都以光速在空间里运动”！

通俗来讲可以这样理解，每个人的运动速度有两个方向，分别是空间维度的速度，还有时间维度的速度，而最终的运动速度是这两个维度速度的合成，结果就是恒定保持光速不变。

看到这里，或许你开始进入状态了。

用白话来讲就是，物体在时空中的速度是由空间上的速度与时间上的速度共同决定的，如果物体在空间上的速度越快，那么在时间上的速度就会越慢。反之，如果物体在空间维度的速度越慢，时间维度的速度就会越快。

但无论空间和时间上的速度快或者慢，最终都不影响最终的合成速度，那就是光速。

这里有两个极端情况。

第一个极端，物体在空间维度的速度为零，也就是我们通常所说的“静止不动”。那么，既然空间上的速度为零，意味着时间维度的速度就必须是光速。

该如何理解“时间维度的速度是光速”呢？很简单，就是字面意思：物体以光速在时间维度飞行。所谓的“时间如流水一去不复返”！

另一个极端，物体在空间维度的速度是光速，当然这是不可能的，这里只是假设。既然空间上的速度为光速，就意味着时间维度的速度是零，这说明什么？说明时间静止了！

也就是说，如果你想让自己的时间变慢，赶紧运动起来吧，运动的速度越快，时间就会变得越慢。而如果你很懒，就是不想动，在空间上的速度为零，那么时间就会以最高快的光速流逝。

这就像鱼和熊掌不可，你必须在空间和时间两个维度上做出选择和妥协！

实际上，这就是狭义相对论中的“时间膨胀效应”，速度越快，时间就越慢。当然引力也会影响时间的快慢，这涉及广义相对论。

从爱因斯坦的时间膨胀公式中也能够看出，当一个物体的速度无限接近光速时，时间就趋于静止，这也是“万物在四维时空中总是以光速运动”的最好证明。

用物理学术语描述就是：宇宙万物在四维时空中的速度都等于空间的中的运动速度与时间中的运动速度的矢量和。该矢量和就是光速。

当然，这个结论绝不是拍脑门想象出来的，可以通过数学公式分析推导出来，具体过程就不再详述了，大家知道就行了。

到这里，我也知道肯定有不少人仍旧不太理解，这很正常，因为平时我们所说的速度就是默认在三维空间的速度，如今突然变换到四维时空，肯定会不适应。用比较专业的术语来讲，三维空间中的速度是以欧式空间为背景的，而四维时空中的速度是以闵氏空间为背景的。

明白了欧式空间与闵氏空间的区别，接下来一起了解一下三维空间的速度与四维时空的速度的区别。

三维空间的速度，很好理解，就是我们平时所说的速度。那么四维时空里的速度是什么呢？如何计算呢？

按照速度计算公式，四维时空的速度应该也等于距离除以时间。但是请注意，四维时空的距离与三维空间里的距离完全不同。

从四维时空中的一个点移动到另一个点的“时空位移”就是四维时空中移动的距离，然后除以时间，就是四维时空中的速度。那么这个位移是如何计算的呢？

简单讲，就是在三维空间坐标系中加一个时间轴，说白了就是我们平时所说的时空图。四维时空里有四个坐标，包括一个时间坐标和三个空间坐标，那么四维时空的位移就是从一个事件移动到另一个事件。

也就是说，四维时空的位移就是两个不同事件的距离。即便你坐在家里一动不动，你在三维空间的坐标没有变化，但在四维时空坐标里，你一直在移动，因为你的时间坐标一直在移动。这就是四维时空与三维空间的最大区别。

到这里大家也应该明白了为何说“光速不可超越”。不过，问题到这里还没有结束，任何问题都要尽可能追问到底，虽然“刨根问底”的结果一定会走进死胡同，但我们还是要尽可能地追根溯源。

虽然以上说了很多时间和空间维度的速度问题，其实没有提到一个最根本的东西：光速不变原理。

无论是以上时间和空间维度的速度关系，还是爱因斯坦提出的狭义相对论，都是在光速不变原理的基础上建立起来的。

说白了，光速之所以不可超越，本质上就是因为光速的特殊性：光速是绝对的，在任何参照系下都保持不变。

举个简单的例子就能明白光速的这种“霸道”行为了。即使你以0.99倍光速的速度去追赶一束光，在你眼里，光的速度仍旧是光速，而不是光速减去你飞行的速度！

这就是光速不变原理，光速就是如此特殊。这种特殊性完全违背了我们的传统认知。按照我们的日常生活经验，任何速度都是相对的，都需要有参照系才有意义，但光速并不需要参照系，或者说在任何参照系下光速都保持不变。

这里有必要特别说明一下，光速不变原理其实就是一个假设，也是公理，而公理就无需证明，也没有办法最终证明。

也就是说，爱因斯坦的相对论是建立在假设的基础上才创造出来的。看到这里，你可能一脸不屑：什么？统治宏观世界一百多年的相对论，就是建立在假设基础上提出来的？

确实没错。但这种假设并不是爱因斯坦灵感来了，然后拍脑门想出来的，需要有相当成熟完善的物理学知识，加上大胆的颠覆性思维模式，才可能提出来这个看似无理的假设。

简单讲，爱因斯坦通过伟大的麦克斯韦方程组获得了灵感，然后加上他颠覆性的思维模式，大胆提出了光速不变原理这个假设，从而创建了相对论。麦克斯韦方程组可以推导出光速计算公式，而在这个公式里，光速是一个常数，并没有任何参照系，光速的大小只与真空的磁导率和介电常数有关。

当然，爱因斯坦创建狭义相对论的过程并不是如此简单，这里不再详述了。

但你可能会质疑：光速不变原理并不是假设，迈克尔逊莫雷实验不就证明了这个原理吗？

这是对迈克尔逊莫雷实验的误解，这个实验并没有证明光速不变，只是证明了“以太”这种绝对参照系是不存在的。

当然，任何假设都要经得起考验，也就是说必须经得起验证。一个假设可以不符合人们的日常生活经验，毕竟我们的生活经验一定会有局限性。但是假设本身只要经过实验验证，就是一个好的假设，甚至可以被视为公理。

爱因斯坦提出光速不变原理这个假设之后，科学家们也确实验证了这个假设的合理性。但是任何假设都不可能被最终证明，因为任何科学假设本身其实就是公理，公理本身就无法最终证明。

就像“两点之间，线段最短”这个公理，你永远无法最终证明这个公理。两点之间有无数条连线，理论上你需要把每一条连线都证明比线段更短，显然这是不可能的。

这也说明了一点，“两点之间，线段最短”其实也是假设，只不过是符合人们日常生活经验的假设，所以很容易被人接受。而光速不变原理并不符合人们日常生活经验，所以很难被人接受。

但是正如刚才所说，人们的日常生活经验总是有局限性的，所以，如果我们不去突破这种局限性，总是以“人们的生活经验”为基础去做假设，科学就很难取得突破。

而这也说明了一点：任何假设，只要经得起实验验证，经得起考验，就是好的假设。

洋洋洒洒写了这么多，最后可能你还会一个更大的疑问：既然光速不变原理只是假设，我干嘛去相信一个假设呢？干嘛相信相对论呢？

你说的没毛病。假设的东西无所谓相信不相信，只有接受或者不接受，本来就是这样。说极端点，爱因斯坦就相当于假设“相对论是对的”，然后提出了相对论。既然假设“相对论是对的”，你还质疑什么呢？你只有两种选择：接受或者不接受。

而无论接受还是不接受，都没毛病，也都无所谓对错。你甚至可以提出自己的假设，然后在自己假设的基础上建立自己的理论，来推翻相对论，这完全是可以的。但前提是，你的假设要比爱因斯坦的假设更靠谱，更经得起考验，不然别人为什么要接受你的理论呢？

而爱因斯坦伟大的地方就在于，他仅凭两个假设就创造了相对论。理论上讲，假设的越少越好，因为任何假设都像一个定时炸弹，随时可能会“引爆”，然后让在假设基础上建立起来的理论瞬间崩塌。

既然相对论是在光速不变原理的基础上建立起来的，那么如果你想质疑相对论，也没问题，直接质疑光速不变原理就好了。但刚才我也说了，光速不变原理就是假设，而假设的东西其实是没有质疑必要的，只有你相信或者不相信。

说了这么多，该停下来了。

总结就是，光速之所以不可超越，完全是四维时空的固有属性，而这种固有属性又是建立在光速不变基础上的。四维时空的这种特性，与其中的任何物体都没有关系，万物都无法超越光速。

如果非要假设超越光速，会发生什么呢？

很简单，将会脱离四维时空！最终会到哪里呢？

不知道！或许是高维度时空，在那里万物都必须以超光速飞行，谁知道呢？

完！