为什么光速永远无法超越

1945年7月16日凌晨，人类历史上的首枚原子弹在美国新墨西哥州阿拉莫戈多沙漠的一座30米高的铁塔上爆炸。这是一颗装药量为6.1千克的钚弹，爆炸中心所产生的上千万度高温和数十万个大气压将30米高的铁塔瞬间气化，并在地面上形成一个巨大的弹坑河。爆炸腾起的烟尘仿佛垂天之云，毁天灭地。方圆400米内的所有砂石都被融化成了黄绿色的玻璃状物质。1600米内的所有动物无一幸免。这颗原子弹释放出了大约2.2万吨TNT当量的威力，人类从此正式进入真正的核裂变时代。

为什么原子弹的威力如此巨大。这是因为原子弹使用的是重核裂变，而原子核在裂变时会损失一点点质量。这损失的一点点质量会以质能转换的方式完全转化为能量，而这个质能转换的公式就是E=mc2。

由于光速的平方是个非常大的数字，所以只要一点点质量亏损，就能产生非常庞大的能量。比如在广岛上空爆炸的那颗原子弹，它裂变产生了大约一克的质量亏损，实际却转换出了高达2万吨TNT当量的能量，好端端的一座城市瞬间变化为乌有。

原子弹证明了E=mc2的正确性。而事实上，爱因斯坦早在40年前就已经推导出公式了。你可能又会问，那爱因斯坦又是怎么知道能量就是质量乘以光速的平方，而不是立方或者其他什么常量了。先别急，今天我们要讲的就是为什么偏偏爱因斯坦就能知道：能量就是质量乘以光速的平方。

1905年9月26日，《论运动物体的电动力学》也就是我们熟悉的狭义相对论正式发表。在论文发表后的第二天，也就是9月27日，爱因斯坦就提交了下一篇有关狭义相对论的论文，名字叫《物体的惯性——同它所含的能量有关吗》。

短时间内连续发表两篇诺贝尔级的论文，这个速度真不是盖的。爱因斯坦这篇论文只有短短数页，但给出的答案却是世界观的颠覆。E=mc2这个公式可不仅仅是狭义相对论的简单推导延伸，它是一个看破红尘的洞见。

要知道在1905年，距离卢瑟福的α发粒子散射实验都还有四年。当时的爱因斯坦还不知道原子核的存在，所以爱因斯坦其实根本就不知道原子弹是什么概念。当时的物理学甚至连原子都还没搞清楚，而原子弹的出现则是跨越到了几十年后。因此，原子弹的发明其实和爱因斯坦也没有多大关系。爱因斯坦本人也只是在那封呼吁美国发明原子弹的信上签了个名而已。

在解释质能方程之前，我们需要先弄清楚那个困扰大家已久的问题——相对论中的速度究竟是如何叠加的。

假设有一艘飞船相对于你在以0.9c的速度前进，飞船上有人开着一辆摩托车相对于飞船以0.9c的速度再往同一个方向前进，在你看来，摩托车的速度在叠加后到底是多少呢？

按照常规算法，你肯定会说，这还不简单，这不就是0.9c加0.9c等于1.8c吗？显然答案肯定不是1.8c，不然这个摩托车在你看来不就超光速了吗？

正确的算法是，由于速度等于路程除以时间，此时你需要考虑飞船在高速运动时所产生的时间膨胀和长度收缩效应。具体来说，如果飞船相对于地面的速度是v，摩托车相对于飞船的速度是u，那么摩托车相对于地面的速度并不是简单的等于v加u，而是需要根据这样一个公式来计算。

这就是狭义相对论推导出的速度叠加公式。根据这个公式，之前摩托车速度的实际计算结果就约等于0.994c，并没有超光速。怎么理解呢？你可以想象一下，根据时间膨胀效应，所以在你看来，飞船上的时间会变慢。此时你会看到摩托车的前进就好像是陷入泥潭而寸步难行。假设飞船能达到光速。那么，在你看来，飞船上的时间将停止流逝，一切动作都将静止，飞船上所有物体的速度也都跟飞船一样是光速。当然，也包括光本身。

需要注意的是，这个公式不仅可以用来计算接近光速的物体，普通低速的物体也可以。只不过在速度远小于光速时，速度叠加的结果可以近似为直接相加。而速度接近光速时，速度叠加就不再是1+1=2了。那这里就又有一个大问题了。

我们假想一下，如果接近光速的飞船，驾驶员使用一吨的燃料来给飞船加速。在驾驶员看来，他感觉自己确实是提升了很多速度，并且有足够的推背感。他肯定会认为，如果每次这样加速一点点，应该总能达到光速吧。

但是在你看来却并不是这样。根据速度叠加公式，他的速度提升却并没有很多。无论他用多少燃料，都无法加速到真正的光速。但是燃料的能量却是被实实在在地消耗掉了。根据能量守恒定律，那多余的能量去哪了呢？消耗的燃料一直都是这么多，但是飞船增加的速度却是越来越少。

简单类比一下，这不就等同于飞船正在变得越来越重吗？这就是狭义相对论的另外一个效应。运动物体的质量会变重。至于具体变重了多少，有学过动量守恒的小朋友，在结合前面的速度变换公式很容易就能计算出来。

质量变化的公式和时间膨胀一样，都是相差了一个洛伦兹因子。也就是说，当你的速度接近光速时，你的质量就会接近于无穷大。也就是说，一切有质量的物体都不可能达到光速。想要达到光速就需要无穷大的能量。物理学家们可以用粒子加速器让一个电子达到0.9999c，但是它永远都不可能达到真正的光速。

那为什么光子可以光速运动呢？因为光子的静质量为零，它也就不存在什么加速、减速的过程。光子永远只有两个状态，要么以光速运动，要么就消失。在我们的世界里，它的时间永远都不会动，也不会衰老。

现在我们已经知道运动物体的质量会变重。那凭空多出来的质量到底是多在了哪里呢？爱因斯坦利用泰勒展开将前面的质量变化公式展开。通过这个展开后的公式，我们看到，低速情况下动质量减去静质量再乘以光速的平方，正好就是牛顿力学里的动能。也就是说，质量增加的部分其实也可以看作是能量。

但是质量怎么会跟能量扯上关系呢？毕竟在当时的人们眼中，这分明是两个不同的概念。紧接着，爱因斯坦凭借着惊人的物理直觉赋予了这个公式所包含的物理意义。他认为 mc2代表了一个物体的全部能量，哪怕它静止不动，它的质量本身也具有能量。这就是著名的质能方程，这绝对算得上是一个思维的跃迁。毕竟，在此之前从来没有人想过质量本身会蕴含着能量。

普通的物理学家能胜任常规的数学推导和实验测量。而爱因斯坦的独特之处在于他具有敏锐的物理直觉以及敢于打破规则的勇气。一开始，他只是提出了相对性原理和光速不变这两个基本假设，然后就推导出了整个狭义相对论的大厦。

而如今，爱因斯坦再一次看破了红尘，宇宙中的所有东西无非就是质量和能量。但他现在告诉你，质量和能量竟然也是可以相互转换的，我们应该如何来理解它呢？

很多人一提到 E = mc2就会联想到原子弹爆炸。而事实上，这个方程说的可不只是核反应。它真正的意义在于，它揭示了世间一切质量的本质，解释了宇宙中所有质量的来历。它告诉我们，一切释放能量的过程都会损失质量，一切获得能量的过程也都会增加质量。一杯热水比一杯凉水重，运动的你也比静止的你重。拉起来的皮筋也要比缩起来的皮筋更重。但是这个质量的减少实在是太小，以至于一直无法得到验证。直到核反应的发现，才从实验上证明了爱因斯坦的质能方程的正确性。

有了爱因斯坦的质能方程，理论上来讲只要人类的技术够高，就永远都不用担心能源短缺的问题。光速 c 的平方实在是太大，你只需要牺牲你的一点点质量就能换来巨大的能量。而如果可控核聚变能够成功，每年只需要几克的原料就能满足一整个城市一整年所需要的所有电量。