深度科普：大自然为什么不允许超光速出现？

“速度极限为光速”，这句话即使对于那些对相对论不甚了解的人来说，也并不陌生。它频繁出现在各种信息渠道中，以致于光速几乎成了相对论的代名词。也许是这种广泛的认知，激发了人们对突破这一速度限制的浓厚兴趣。

让我们来探讨几个与超光速相关的问题：

①譬如，如果我边跑边用手电筒照亮前方，那光束的速度岂不是超出了光速？（超过每秒30万公里）

②想象一根无限长的杆子，我们让它绕一端旋转，那么另一端的速度岂不是趋于无穷大？这显然超出了光速。

③还是这根无限长的杆子，我若在一端施力，那另一端会立即响应，这样似乎就能通过这种方式传递信息，那么信息传递速度岂不是超越了光速？

诸如此类的问题还有很多，这里不一一赘述。

综合来看，这些疑问往往产生于对相对论缺乏深入了解的情境中，或者这些人只是接触了些许理论表述，并未进行过数学推导，从而导致了这些疑惑的频现。

实际上，针对这些疑问，我们可以分为两大类来解答：

第一类：借助狭义相对论的若干推论（例如质量增加、速度叠加公式等）来阐释和反驳。

以质量增加为例，对一个观察者来说，如果物体速度逐渐逼近光速，那么其质量会趋向无穷大，进一步加速则变得不可能（理论上使用能量变为虚数的观点更为严密，本文稍后将提及）。

第二类：告知他们，现实世界中不存在所谓的绝对刚体，一根无限长的杆子在受力时必然会发生形变，传递这一过程的速度是有限的，实际上就是固体内部的声速，应力波传递信息，除非是刚体，否则不可能超过光速。

但今日我们要探讨的是，光速为何不能被超越的一个深层次原因——因果律。这种解释并不常见，因为大多数时候，上述几种解释已经足够驳斥超光速现象。

然而，在上述的几种解释中，有一点往往被忽略，那就是大多数关于超光速现象的物体，都经历过一个加速过程，也就是说，这些物体最初的速度并不超过光速，而是试图通过加速来达到超光速。

这类加速过程的缺陷在于，根据之前的第一个解答，加速过程需要无限多的能量，因此不可行。（注：尽管这种解释看似合理，但关于物体质量增加这一点（即动质量），目前已不采用此说法，故应以能量观点（即质能方程，不涉及动质量的形式）来理解，当物体速度达到或超过光速时，其能量会变得没有意义或为虚数）。

这样的讨论使我们陷入了加速过程的讨论中，很少注意到另一种可能性——如果物体一开始就以超过光速的速度运动会如何？

正如光子天生以光速移动一样，如果宇宙中存在天生速度就超过光速的物质，我们又该如何解释呢？实际上，上世纪有科学家提出了相应的理论——“快子理论”，认为可能存在天生速度超过光速的物质，即快子。快子有一个最低速度限制，不能低于光速（正如普通物质不能超过光速一样）。

但即便不考虑加速过程，天生速度超过光速的快子也同样不能违背因果律。

于是，我们便引入了今天的主题——因果律。

因果律作为一条古老的原则，它可以被视作一个基本常识——有因才有果。在这个世界上，似乎无人会质疑这一原则的正确性。

例如，你将一颗苹果树的种子种在土里，经过一段时间后长出苹果树。这一过程的顺序是先播种后结果，你能想象先结果再播种的情况吗？

再如，每个人都是先出生后去世，你能想象一个人先去世再出生吗？这便是因果律，而违背因果律的情形，显然是不能被接受的，这一点应当无人质疑。

但因果律与超光速现象之间有何联系呢？

首先，我们需要了解相对论中对事件的定义，事件被定义为一个时空点（由空间中一点和某一时刻构成）。例如，上述例子中的播种事件（事件A）和苹果树的长成（事件B）是前后相继的因果事件，且事件B的发生时间必然晚于事件A，即事件B与事件A之间的时间差必须大于零。

然而在狭义相对论中，时间并非对所有参考系都相同，不同参考系对同一事件的感知是不同的。例如，在你的参考系中，事件A发生在时刻a，事件B发生在时刻b，而在另一个人的参考系中，事件A仍在时刻a发生，但事件B却可能在时刻c发生。

因果律在所有参考系中都必须成立，结合之前的内容，将上述文字转换为数学表达式为：b-a＞0，c-a＞0，即只要上述数学式成立，因果律就没有被破坏。

而超光速现象与这一数学式有何联系？

让我们再简单介绍一个概念——世界线。

世界线是狭义相对论几何化的产物，其使用几何语言来阐释相对论，更能彰显其本质，世界线被定义为物体自身事件的集合，如下图所示。

图中横轴代表空间，纵轴代表时间（此图为时空图），物体在任何时刻的空间位置都可以用时空点来表示，因此一条连续的曲线即表示物体的世界线。物体的世界线有三种：类时线、类光线和类空线，分别表示速度小于光速、速度等于光速和速度大于光速的物体的世界线。

有了这些知识，我们便能将问题归结为：类空线与数学式b-a＞0，c-a＞0之间有何联系？

由于类空线和数学式b-a＞0，c-a＞0都可以转化为一个概念——时空间隔，那么什么是时空间隔呢？

简单来说，在欧氏几何中，一段极短的线段长度如何表示？答案是长度的平方等于（x²+y²）（其中x、y分别代表坐标轴方向上的极小长度，微积分表达为ds、dy），时空图中长度的定义与此类似（区别在于时间），被称为时空间隔。

回到问题，我们知道类空线的时空间隔大于零，而数学式b-a＞0，c-a＞0通过洛伦兹变换可转化为时空间隔，其值小于或等于零。

因此，可以得出结论：若时空间隔小于或等于零，则因果律成立；若时空间隔大于零，则因果律不成立，且判断标准是超光速。

再考虑到我们始终坚信因果律在任何情况下都必须成立，因此超光速现象必须被禁止（即不存在类空的世界线）。

综上，超光速现象不存在的真正原因是因果律不容许超光速的存在。