深度長(zhǎng)文：光速不能被超越，根本原因到底是什么？

很遺憾，其實(shí)我們并不知道到底為什么，起碼目前不知道。

但是，”不知道“也是分等級(jí)的，這也是我做這么長(zhǎng)時(shí)間科普的目的所在。如果我就給出三個(gè)字“不知道”，那是扯淡的科普啊？即使不知道，我也要弄清楚為什么“不知道”．

說(shuō)白了，對(duì)于“光速限制”，目前人類(lèi)的理解還停留在“知其然，但不知道其所以然”的層面。

科學(xué)家只是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論推到出“光速限制”的結(jié)論，但并沒(méi)有觸及底層邏輯，不知道更深層次的原因。

就像我經(jīng)常科普的宇宙大爆炸理論，科學(xué)家告訴我們，宇宙起源于宇宙大爆炸的奇點(diǎn)突然膨脹，奇點(diǎn)源于真空的量子漲落，但量子漲落為什么會(huì)發(fā)生？

我們并不知道。

有人可能會(huì)說(shuō)，“光速限制”不是愛(ài)因斯坦的相對(duì)論推導(dǎo)出來(lái)的嗎？

相對(duì)論的質(zhì)增效應(yīng)表明，物體的速度越快，質(zhì)量就越大，當(dāng)接近光速時(shí)，質(zhì)量會(huì)趨于窮大，需要無(wú)窮大的能量才能推動(dòng)其繼續(xù)加速，這顯然是不可能的。所以物體的速度不可能超光速。

愛(ài)因斯坦相對(duì)論的前提之一，的確有光速限制。但是我們必須弄清楚，相對(duì)論的誕生，其實(shí)是基于兩大假設(shè)：光速不變?cè)砗拖鄬?duì)性原理。

相對(duì)性原理很簡(jiǎn)單，在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見(jiàn)。在慣性系中，所有物理定律的表現(xiàn)形式都是相同的，等價(jià)的，沒(méi)有任何慣性系是特殊的。

比如說(shuō)，很多人都有這樣的經(jīng)歷，在勻速行駛的高鐵上，有時(shí)你的感受與靜止在地面上沒(méi)有任何區(qū)別。如果不看窗外，又沒(méi)有聲音，閉上眼睛的你不可能知道自己是在高鐵還是在靜止在地面上。

重點(diǎn)講一講光速不變?cè)恚@個(gè)原理與我們的生活經(jīng)驗(yàn)完全相悖。

光速不變?cè)恚傅氖牵谌魏螀⒖枷抵校瑴y(cè)量到的光速都完全相同。

說(shuō)白了，不管是站著不動(dòng)測(cè)量一束光，還是跑著測(cè)量這束光，測(cè)量到的光束都恒定不變，每秒30萬(wàn)公里。

也就是說(shuō)，不管如何，你都不可能追上一束光，因?yàn)榧幢隳阋?9%的速度追趕一束光，這束光相對(duì)你的速度仍舊是光速，而不是1%光速。

光速的這個(gè)特性完全顛覆了我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)。

日常生活中，我們認(rèn)為任何速度都是相對(duì)的，不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量到的速度肯定是不同的，但光速的不變性打破了我們的固有認(rèn)知，因?yàn)樗墙^對(duì)不變的。

問(wèn)題來(lái)了，光速為何如此特殊？為什么絕對(duì)不變？

答案很簡(jiǎn)單，科學(xué)家也不知道，只是發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證。

當(dāng)然，別看我“叭叭叭”說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單，其實(shí)發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證的過(guò)程很復(fù)雜，過(guò)程充滿了各種曲折和挑戰(zhàn)，為什么？

因?yàn)楣馑俨蛔兺耆嵏擦巳藗兊纳罱?jīng)驗(yàn)。

在幾百年前的物理學(xué)界，如果光速真的絕對(duì)不變，意味著統(tǒng)治物理學(xué)界幾百年的牛頓經(jīng)典力學(xué)會(huì)轟然倒塌，因?yàn)榕ｎD力學(xué)就是建立在絕對(duì)時(shí)空觀基礎(chǔ)上，而光速不變可以推導(dǎo)出“時(shí)空是相對(duì)的”。

所以，幾百年前的物理學(xué)家，對(duì)“光速不變”都嗤之以鼻，不愿意接受甚至加以諷刺。這就像你看穿越到幾千年前，告訴當(dāng)時(shí)的原始人類(lèi)“地球不像你看到的那樣平的，而是圓形的”，你信不信原始人類(lèi)會(huì)把你當(dāng)瘋子抓起來(lái)？

但是，偉大的麥克斯韋方程組推導(dǎo)出了光速的確是一個(gè)常數(shù)，只與真空的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān)，公式中并沒(méi)有任何參照系，這意味著光速確實(shí)是絕對(duì)不變的。

而邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)也表明了“光速的參照系以太”并不存在，其實(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)也間接證實(shí)了光速的確不變，只是當(dāng)然物理學(xué)界并不承認(rèn)，他們寧愿相信實(shí)驗(yàn)過(guò)程有瑕疵。這很正常，畢竟當(dāng)時(shí)牛頓經(jīng)典力學(xué)的統(tǒng)治力太強(qiáng)大了，物理學(xué)界怎么可能輕易推倒統(tǒng)治幾百年的物理學(xué)大廈？

所以，當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家，比如說(shuō)洛倫茲，龐加萊等人通過(guò)各種“左右逢源”的方式，力保“以太”的存在，目的就是維護(hù)經(jīng)典力學(xué)。洛倫茲甚至提出了洛倫茲變換，發(fā)現(xiàn)了時(shí)間膨脹和尺縮效應(yīng)，但是就是不愿意放棄絕對(duì)時(shí)空觀，最終非常遺憾，與相對(duì)論失之交臂。

而“大膽”的愛(ài)因斯坦完全拋棄了以太思想，在光速不變?cè)淼幕A(chǔ)上，創(chuàng)建了狹義相對(duì)論，通過(guò)通過(guò)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)除了時(shí)間膨脹效應(yīng)，尺縮效應(yīng)等。

雖然這兩個(gè)效應(yīng)與洛倫茲變換推導(dǎo)出來(lái)的結(jié)果一樣，但兩者的前提不一樣。洛倫茲是以“以太”為前提，認(rèn)為物體會(huì)在以太方向上運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生尺縮效應(yīng)，收縮只會(huì)發(fā)生在運(yùn)動(dòng)方向。該觀點(diǎn)的前提仍舊基于絕對(duì)的時(shí)間和空間。

而愛(ài)因斯坦認(rèn)為，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間和空間發(fā)生了改變，從而導(dǎo)致了光速不變。兩人對(duì)時(shí)間和空間的認(rèn)知有本質(zhì)不同。

接下來(lái)，我會(huì)盡量避免使用復(fù)雜晦澀的數(shù)學(xué)公式，通俗解讀時(shí)間膨脹效應(yīng)。

假設(shè)A和B兩點(diǎn)相距30萬(wàn)公里，也就是1光秒，你準(zhǔn)備從A點(diǎn)到B點(diǎn)，速度是光速的3600分之一，時(shí)間是1小時(shí)。

而我在B點(diǎn)，假設(shè)我是“千里眼”，于是在1秒后就能看到你在A點(diǎn)發(fā)出的光，1小時(shí)后會(huì)看到來(lái)到B點(diǎn)的你。

假設(shè)你帶了一個(gè)鐘表，鐘表上顯示的時(shí)間也會(huì)是1小時(shí)。

這很正常，只是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，完全符合我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)。

但如果較真的話，你攜帶的鐘表時(shí)間走過(guò)的并不是1小時(shí)，只不過(guò)差異非常小，我們根本感覺(jué)不到，為什么？

因?yàn)槟愕乃俣扰c光速相差太大！

對(duì)于我來(lái)講，我會(huì)在一秒后看到你發(fā)出的光，然后2秒后看到你。也就是，雖然你與光的速度是一樣的，但你和光并不是同時(shí)到底我這里。

你可能會(huì)很懵逼：你在這扯淡呢？速度一樣，距離一樣，到底時(shí)間怎么可能不一樣？

別著急反駁，聽(tīng)我慢慢分析。

這其實(shí)就是時(shí)間膨脹效應(yīng)（或者尺縮效應(yīng)，兩者是等價(jià)的，同時(shí)發(fā)生的，因?yàn)闀r(shí)間和空間是有機(jī)的整體，不可分割），我們兩個(gè)人的時(shí)間和空間一直在變化，隨著你的速度發(fā)生改變。

只不過(guò)，由于時(shí)間太短（或者速度太慢），我們很難直觀感受到時(shí)間是如何改變的。

所以我決定把一秒的時(shí)間擴(kuò)大，假設(shè)你在254光年外的仙女座星系，我在地球上，你駕駛飛船以254萬(wàn)倍光速的速度飛行（這里只是假設(shè)，不要抬杠說(shuō)光速限制）。

那么，你到底地球需要多長(zhǎng)時(shí)間呢？

按照我們的傳統(tǒng)理解，當(dāng)時(shí)是一年了。這是一道再簡(jiǎn)單不過(guò)的數(shù)學(xué)題，三年級(jí)小學(xué)生都會(huì)算，距離除以速度就是時(shí)間。

但實(shí)際真的如此嗎？

非也！

事實(shí)情況是，不要說(shuō)一年了，哪怕是254萬(wàn)年后，我還是看不到你到達(dá)地球。

我知道，你又要懵逼了！別著急，更懵逼的還在后面。

我到底需要多久才能看到你到底地球呢？

答案是，在我看到仙女座星系發(fā)出的光到達(dá)地球之后（也就是254萬(wàn)年之后），再過(guò)一年才能看到你到達(dá)地球。

但是對(duì)于你自身來(lái)講，確實(shí)只經(jīng)歷了一年就到達(dá)了地球（這里只是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，實(shí)際上你根本不需要任何時(shí)間，這又是另一個(gè)宏大的話題，我舉的例子只是讓你通俗理解時(shí)間膨脹，兩者并不沖突）。

也就是說(shuō)，在我眼里，你需要255萬(wàn)年之后才能到達(dá)地球，按照這個(gè)結(jié)果，用距離除以時(shí)間，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，你的速度其實(shí)并沒(méi)有達(dá)到光速，僅為大約光速的99.99996%。

你肯定會(huì)問(wèn)：這不矛盾嗎？明明已經(jīng)超光速了，為何計(jì)算結(jié)果沒(méi)有達(dá)到光速？

實(shí)際上一點(diǎn)也不矛盾。只能說(shuō)明一點(diǎn)：無(wú)論你如何努力，你真的不可能達(dá)到或超越光速，只能盡可能接近光速。速度越接近光速，時(shí)間膨脹效應(yīng)越明顯。

我一開(kāi)始之所以假設(shè)你超光速飛行，就是為了更直觀通俗地理解時(shí)間膨脹效應(yīng)，但很多時(shí)間，通俗往往意味著不太嚴(yán)謹(jǐn)，但對(duì)于多數(shù)普通人來(lái)講，其實(shí)這也足夠了，畢竟我們不是科學(xué)家。

說(shuō)白了，結(jié)果只能表明一點(diǎn)：我一開(kāi)始假設(shè)的超光速，其實(shí)并不是真的超光速，只是假象。

這個(gè)假設(shè)是怎么造成的呢？

聰明的你肯定猜出來(lái)了，時(shí)間膨脹造成了超光速的假象！

再來(lái)看看你眼中的地球，當(dāng)你的速度非常接近光速時(shí)，在你眼里，你的一年相當(dāng)于地球上的254萬(wàn)年！

如果你的速度更快，僅需要一秒就到達(dá)地球，那么地球上的我會(huì)在什么時(shí)候看到你來(lái)到地球呢？

看到這里還不知道答案的都給我拉黑！

答案是254萬(wàn)年再加上一秒！

當(dāng)然，我不可能看到你到達(dá)地球然后與你握手，能與你握手的肯定是我的重重重......孫！

而如果你到達(dá)地球后，與我的重重重......孫握手之后馬上返回仙女座星系，會(huì)發(fā)生仙女座星系的時(shí)間已經(jīng)過(guò)去了大約508萬(wàn)年，你的家園和親人肯定早就不存在了。

這就是神奇的時(shí)間膨脹效應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)的前提就是光速不變。

時(shí)間和空間可以隨時(shí)協(xié)調(diào)，保證光速的絕對(duì)不變，導(dǎo)致不管怎樣都不可能超過(guò)光速。

尺縮效應(yīng)也是一樣，這里就不多說(shuō)了，因?yàn)檎鐒偛潘v，時(shí)間膨脹和尺縮效應(yīng)是同時(shí)出現(xiàn)的，兩者是等價(jià)的，不可能出現(xiàn)“只出現(xiàn)時(shí)間膨脹，不出現(xiàn)尺縮效應(yīng)”的情況。

往深了挖，上面我舉的例子其實(shí)說(shuō)白了三點(diǎn)：

首先，時(shí)間和空間是相對(duì)的，在不同的參照系中，時(shí)間流逝的速度是不同的。

其次，時(shí)間和空間是有機(jī)的整體，也就是時(shí)空，任何把時(shí)間和空間單獨(dú)割裂而談的行為都沒(méi)有意義，所謂的“四維時(shí)空”。時(shí)間和空間齊頭并進(jìn)，相互協(xié)作，一起保證光速絕對(duì)不變，禁止任何物體的速度超過(guò)光速。

第三，如果你真的理解了前面兩條，自己就能推導(dǎo)出第三條：任何物體在四維時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)速度其實(shí)都是光速！為什么？

我們平時(shí)所講的速度，其實(shí)是指空間的速度，并不是時(shí)空的速度。比如你靜止不動(dòng)時(shí)，其實(shí)是空間維度的靜止不動(dòng)。當(dāng)你在空間維度靜止時(shí)，空間的速度為零，但時(shí)間維度的速度達(dá)到光速。

如果你想讓時(shí)間維度的速度變慢，必須讓空間維度的速度快起來(lái)。空間維度的速度越快，時(shí)間維度的速度就越慢，兩者的合成速度就是光速。這其實(shí)就是時(shí)間膨脹原理。

到這里，問(wèn)題好像結(jié)束了，但好像又回到開(kāi)頭了：光速為什么不變？

我的回答也是一開(kāi)始就給出來(lái)了，三個(gè)字：不知道。

科學(xué)家只是發(fā)現(xiàn)了光速絕對(duì)不變，但沒(méi)有辦法完全證明，這其實(shí)正是科學(xué)的本質(zhì)所在。

說(shuō)白了，光速不變就是一個(gè)假設(shè)，公設(shè)，或者說(shuō)公理。

公理本身并不需要解釋，只需要你承認(rèn)，當(dāng)然也可以不承認(rèn)，假設(shè)的東西為什么一定要承認(rèn)呢？

我們遇到的很多公理都符合日常生活認(rèn)知，比如說(shuō)“兩點(diǎn)之間直線段最短”這個(gè)公理，連狗都明白：你扔一塊骨頭，狗肯定會(huì)沿著直線追骨頭！

但人類(lèi)的認(rèn)知是有局限性的，很多時(shí)候我們的傳統(tǒng)生活經(jīng)驗(yàn)并不符合事實(shí)。當(dāng)我們的傳統(tǒng)認(rèn)知與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)相悖時(shí)，該選擇哪個(gè)呢？

當(dāng)然選擇實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了，畢竟實(shí)驗(yàn)過(guò)程不會(huì)說(shuō)謊，是客觀存在的，人類(lèi)的日常認(rèn)知是主觀的有局限性的。

當(dāng)然，你要硬要犟的話，實(shí)驗(yàn)過(guò)程也不是客觀的，甚至說(shuō)沒(méi)有任何東西是客觀的，我也無(wú)法可說(shuō)，陷入了虛無(wú)主義了，還有什么能說(shuō)的呢？

這其實(shí)就暗示了虛擬世界，又是另個(gè)一很有爭(zhēng)議的話題。

就到這里吧！