Question

光速为什么不能超越有质量的物体为什么不能达到光速

Answer 1

光速在宇宙中是一个恒定值，这个是普遍得出的结论，而且是宇宙中的最快的速度，也是一个基本的宇宙常量，很多人都希望可以超越光速，实现星际航行，但是这个本证明是不可能实现的，因为狭义相对论的公式锁定了这个梦想。

这是相对论质量公式决定的，一个具有静止质量的物体，速度越大，质量也会变得越大，如果其速度达到光速，这个公式的分母将没有意义或成为一个虚数，这时候它的质量就会变成无限大。

因而在这个宇宙中，任何具有静止质量的物体，其速度都不可能达到光速，越接近光速，要将它加速就越困难，因为它的质量会变得越来越大，必须耗费更大的能量才能将其加速。

而想要加速到光速，也就是说质量得变成无限大，那就意味着必须耗费无限的能量才行。光子没有静止质量，所以永远以光速在运动。

先说第一个问题，不仅所有拥有静止质量的物体速度都不可能会超过光速，而且就连达到光速也是不可能的，这个推论来自狭义相对论的质速关系：

其中M为物体的相对运动质量，m为物体的相对静止质量，v是物体的相对运动速度，c是真空中的光速。

显然，对于具有静止质量的物体，它的运动速度越快，则运动质量越大，这意味着进一步加速物体所需的能量也会越来越高。

并且随着速度接近光速，质量急剧增大，直至趋于无穷，所以不可能有无穷多的能量来加速运动质量趋于无穷大的物体，这也就表明具有静止质量的物体只能以慢于光速的速度运动。

另一方面，光子的情况比较特殊，这种粒子没有静止质量，所以它能以光速运动，并且也只能保持这种状态。虽然光子的静止质量为零，但这种粒子具有运动质量，因为它具有能量。

我们可以再来看一下质速关系，当等式右侧的分子分母都趋于0时，这个式子变为了0/0不定型。

在高等数学中，0/0不定型的极限有可能存在，结果是有意义的。

因此，质速关系告诉我们光子可能存在运动质量。事实上，光子的运动质量我们很容易推导出来。

首先，光子的能量为：

E=hf

其中E是光子的能量，h是普朗克常数，f是光子的频率。

再根据爱因斯坦的质能方程：

E=Mc^2

联立上述两式可得：

E=hf=Mc^2

所以光子的运动质量为：

M=hf/c^2

至于为什么会有这样的推论，这是光速不变原理的必然结果。而光速不变原理是一个客观存在的事实，无论是理论还是实验都能证实这个原理。

再次遇见这样的问题，貌似没几天能见到一次。当然也说明这个问题很多人关心。

看了下大部分答主都是拿出了相对论公式推导了一番，试图用数学告诉题主为什么光速无法超越，甚至说“因为相对论公式决定了光速无法超越”。

其实这种说法本身就是错误的。数学只是一种帮助我们理解宇宙的工具，而不是说宇宙是被数学所支配的。

而且我相信套数学公式来解答也不是大部分题主想要的。

霍金出《果壳中的宇宙》就说过，他的书中每多一条公式，销量就会下滑几万本。也就是说对于一般想被科普的公众来说，看着枯燥的数学公式不是他们想要的。从数学推导出来的结论很机械无趣，而一般想被科普的公众是需要一副图景(Vision)，以方便他们理解一种物理现象，而不是公式。

所以我这里一条公式也不列，说说这个问题。

我小时候也幻想过如何超越光速。当时曾经幻想过，制造超大推力的火箭，只要推力足够加速时间够长，怎么着也会超过光速吧?实际上是不可能的，即使用上全宇宙的能量也无法把一个原子加速到光速。至于为什么，人类在实践中已经尝试过。这就是粒子加速器。

以目前世界上最强大的粒子加速器——瑞士日内瓦下的LHC大型强子对撞机为例。这里加速的是质子，也就是氢原子核。

施加了非常巨大的能量后，质子的速度会无限接近光速，从0.9c、到0.99c、到0.9999c。质子是永远不可能达到光速，只能无限接近光速。

在接近光速的情况下继续给质子施加能量加速，只能使质子的等效质量增加。当然在粒子物理学里，说的就是能量不是质量了。

这就是高能粒子对撞机的基本原理——尽可能给粒子加速、粒子越接近光速，其能量越大，对撞时产生的反应越接近宇宙创生时刻的初期，从而来研究微观粒子现象。

位于瑞士日内瓦和法国交界处的LHC大型强子对撞机

简单来说，无论增加多少能量在一个物体上，只能使其无限接近光速，施加的能量最后变成了等效质量，却不会变成增加出来的速度。这个已经无数次在加速器里验证过，基本没有值得质疑的地方。

而题主第二个问题答案是肯定的，光子是没有质量的基本粒子。没有质量的粒子会以光速也只能以光速(真空中)运动，你不可能让一个光子静止下来。

简单来说，从运动速度来划分，宇宙中有两种粒子：

第一种是有质量的粒子,从基本粒子层面来说包括几种夸克(构成中子和质子的基本粒子)、胶子(传递强力的粒子，在质子和中子中、强力束缚着夸克)、电子、中微子(具有非常小的质量，几乎以光速飞行但还是低于光速)、乃至最近发现的赋予所有物质质量的希格斯粒子等。所有有质量的粒子只能以低于光速运动。

第二种是没有质量的粒子，也就是光子(Photon)，还有理论上存在引力子等。光子还是传递电磁力的介质。

没有质量的粒子，如光子。会永远、也只能以光速运动(真空中)。无法让它低于光速也无法让它比光速更快。

于是，有人假象出第三种粒子：快子(Tachyon)。快子的质量是虚数，性质正好和有质量粒子相反：只能以比光速快的速度运动。

但是目前来说，快子存在的可能性基本应该是没有的。它只是一种数学上假想的粒子。这也和开篇对应，不能只用数学公式去给民众科普。

快子的飞行轨迹，因为是超光速，你能看到两个成像，各自以光速朝飞行轨迹的两个方向离去。黑色线条是快子行程的切连科夫辐射(Cherenkov
radiation)

从目前的标准模型(StandradModel)理论以及最近LHC证实存在了希格斯玻色子(Higgs
Boson)的存在来描述的话，粒子是否有质量决定于是否能与希格斯场(Higgs
Field)产生相互作用。

宇宙诞生初期所有粒子都以光速飞行，而后来真空相变后整个宇宙的真空中形成的希格斯场让粒子获得质量，同时也让有质量的粒子降低速度之光速以下。

如果没有希格斯场、所有粒子都会失去质量而只能以光速四处分散开来。而光子这类没有质量的粒子，因为无法与希格斯场发生相互作用而继续以光速飞行。

人类可以掌握最快的传递信息的手段，那也就是光速——利用电磁波来传递信息。哪怕以后的黑科技多厉害，能用中微子(略微低于光速、具有非常微小质量的基本粒子)和引力波(传递速度等于光速)传递信息，那也就是正好是光速。

量子纠缠现象原则上是超距和瞬时的，但无法用来传递经典信息。所以本质上还是没有打破相对论的光速限制。

不过在空间中的传递速度没办法超过光速，不代表没有其它任何的超光速现象。

比如刚才所说的量子纠缠现象就是超光速的，但无法用于传递经典信息。

另外宇宙早期暴涨时期，空间膨胀的速度远超光速N个数量级。但这是空间本身膨胀的速度，与物质和信息在空间中传播速度并不相违背。

并且宇宙暴涨时期的物理性质也与大爆炸后的宇宙不可相提并论。另外宇宙现在膨胀的速度，在遥远的两个星系中相对的退行速度也是超光速的，但这同样是空间本身膨胀导致的。这些超光速现象并无法用来传递信息和物质。

另外理论上来说，可能存在的虫洞也许能在该年上实现超光速传递物质信息，并且不违反相对论。相隔遥远的空间两端如果被冲动连接着，那么理论上可以瞬间从A点到B点。

但虫洞是否存在和是否能稳定存在都没有定论，目前还只是理论和科幻的产物。跟快子Tachyon一样，都是未经证实的东西。

还有科幻小说中常见的曲速飞行，也只能是一种美好的幻想。首先曲速飞行要压缩空间来实现超光速。可是空间的本质是什么?如何压缩空间?质量巨大的恒星才能稍稍歪曲一点空间，用什么方法来压缩扭曲空间?

一切都是空想而已。能否实现如何实现都是巨大的难题。就算能实现，有科学家估算过，要用所谓的曲速飞行让一艘飞船超光速飞行，至少需要用掉等同一个木星质量的燃料，就算真能实现这样的超光速飞行有经济意义吗?

其实从哲学上来说，空间的信息传递有上限是必然的。因为光速限制和很多物理常量挂钩，这都是通过复杂演算推导出来的结论。光速上限是一个必然的结果。

比如光速上限就和质能转换相关，如果光速提高一倍，核反应的能量就是4倍。恒星乃至整个星系的寿命、超星系爆炸的能量都会截然不同。

试想一个速度没有上限的宇宙，那么宇宙诞生时所有的能量都会瞬间作用于任何一个点上。你可以假设如果现在突然光速没有上限，那么宇宙中所有的粒子会瞬间射到你的身上，你就会立刻被无限的能量引爆了。

就以引力为例，如果引力传递也没有上限，而宇宙很可能是无限或者至少是非常非常大的，比可见宇宙高几个数量级。

那么如果引力传递没有上限，宇宙物质之间的引力就会瞬间作用于所有物质上，结果就是宇宙瞬间会被几乎无限大的引力压扁变成一个巨大的黑洞，一切都不会存在。

比正因为速度有上限，能量和信息的传递才能有序的展开。星系才能形成，我们才能出现。

可以说，正是因为有了速度上限，我们的宇宙才能得以稳定存在。如果这种限制能被轻易打破宇宙就很难稳定存在百亿多年。因此很可能我们的宇宙从本质上已经否定了任何超越光速的可能性。

可以说宇宙存在的本身就是要禁止这类超光速现象的发生，不然宇宙本身就不会存在了。既然我们能生存在这个宇宙，感知这个宇宙，也说明我们本身是无法打破一定范围内的定律。

试想一个能随意诞生智慧生命的宇宙，如果定律能随意让智慧生命打破，这个宇宙早就乱套了。既然我们能稳定存在于这个宇宙，存在至今长达138亿年，说明宇宙本身就有机制禁止你打破某些定律。

关注质量是产生动量的根源、人们当时为什么要把光子质量断定为零、如果真的光子为零、那么它怎么会产生动量的?

看来光子质量为零的说法没有任何依据!依据就是我们测不到、但光速确能被我们所发现、然后就把这两个数据固定下来作为原理予以公告、如此以来、牛顿把电磁作用定为超距作用也是公理了?

再说当年在飞行器的试验中就有科学家就曾计算出、人类的任何飞行器都不可能超越音速、因为达到音速的极限时、飞行器的阻力大到足以发生音爆、事实后来都怎么样、大家都清楚!

今天拿上光子的任何定论都要三思而后行!因为光子的物质形态到底是什么、它有没有自旋、(也就是有没有极性)还在争论之中、现在普遍认为光子的自旋为零属波色子、但电子的湮灭所产生一对光子确早已被人们所发现!

是不是光子太小我们检测不到它的极性呢!

_人认为、很有这个可能、现实中一块磁铁、如果你离它有几十米的距离、你是感觉不到它的极性的、假定它有极性、那么它的光速传播就有解释了、同时宇宙空间的物质性也都有了相应的解释!

我们再假定自然空间就是由带极性的(更小的)物质所极成、光子只要一出现、必定就会破坏原有处于各向平衡的自由状态、(类似于导体)挨个极化、才出现了光速现象!

如果我猜对了、速度这个词用在光子上本身就不正确!就象电传播是光速传播一样的错误!你没_过电子从发电机里出来就是以光速到了你家是一个道理!

凡此种种、有时候人们把一种现象一但转化成观念、然后再把观念往后括散是非常危险的、速度的观念其实是在宏观质点运动的环境中总结来的、后来把它套用到波的行为上的、波是极化的现象、它和质点运动有本质上的区别!

历史是不断发展的、我们时刻都要记住、历史的古人永远不可能都对、老子、庄子所给定的宇宙定性今天有几份真理、牛顿、爱因斯坦的世界就一定是真理么?谢谢各位有闲情怡志伴我十分钟!

许多科普都只强调光速极限却没有提及加速度。爱因斯坦相对论改变了牛顿力学的作用力和加速度的线性关系，也就是说加速度还与速度有关：速度越快，加速越难。

所以“不可能超光速”的正确表述是：相互作用产生的加速度不可能使粒子速度达到光速。
但是没有相互作用的粒子就是自由粒子，其速度由粒子自身的场方程决定(自由电磁场方程得到的是光速)。

从这个意义上来说：自由的、超光速的粒子也是可以存在的，但是因为它没有任何相互作用，我们也就不可能探测到。

再强调一下，光子是不受任何作用力的(引力作用已经被相对论改造成空间本身弯曲)。作用力的本质是某种场，其他粒子与higgs场作用所以有质量。

总之，理解光速极限就要理解相互作用和加速度，就要分清自由粒子和相互作用粒子。没有higgs场就没有加速度。

一个公式只能限制人们的认识，却不能限制宇宙速度。因为质速公式限制了一切物质不可以达到和超越光速，所以很多超光速的存在也被规定在光速之内的速度运动。

举一个例子说明现在存在的问题，比如探测到中微子超光速了，而且为了谨慎起见反复核对，最后还是解释说测试过程装置有颗线接错了。

而观测一个超新星爆发，发现中微子比光提前达到达地球(就是说先探测到中微子，之后才看到超新星爆发)，比光先到地球多少分钟还是多少小时我不记得了，但是有这样的报导。

对于这个现象好像没有最后的解释。估计如果解释，可能会说探测到的中微子不是那个超新星发出的，是判断错误。如果从量子信息角度看，光速与可分离态的二量子态有对应。

即达到光速就是可分离态，无纠缠。加速可认为是对单量子的局部SL操作，可降低纠缠度。而质量可认为源自与粒子交互的结果，这个交互会产生纠缠。

所以有静止质量的粒子永远在进行交互以保持静止质量，所以就在不断产生纠缠，所以加速操作无法将其变为可分离态，也就无法达到光速。