Question

相对论（8）为什么不能超光速？为什么存在光速极限？

Answer 1

上节课我们说了，当爱因斯坦得出时间膨胀公式和尺缩公式以后，发现在公式中只要是物体的运动速度达到光速，就会面临无穷的问题，比如时间膨胀到无穷大，空间收缩到无穷小。

在物理学中不允许出现无穷大和无穷小，而且更为严重的是，当物体的运动速度超过光速以后，还会出现没有现实意义的虚数。

因此，为了消除无穷和虚数这两只恶魔，爱因斯坦就必须将有质量物体的速度限制在光速以内，并且解释为什么质量物体的速度不能达到，更不能超过光速？

关于这个问题，也就是光速极限问题，也是大家比较感兴趣的一个话题，而且自相对论诞生以来，无数的人想出了各种办法想超光速，打破光速限制，以推翻相对论。

可到今天为止，光速极限依旧正确，所有想推翻光速极限的思想实验或多或少都存在漏洞，要不就是用经典的速度叠加公式超光速，要不解释以不传递任何能量（信息）的方式超光速。

今天我们这节课就聊下为什么质量（能量）物体运动速度不能超光速？或者说，为什么信息传播的速度不能超过光速？

先来看相对论的解释，上节课我们说了当我们考虑光速不变，以及高速运动的物体的时候，伽利略变换就不再适用了，而是要用到洛伦兹变换。

除了要对两个参考系的时间，以及空间坐标变换的方式进行修正以外，还需要对经典的速度合成公式进行修正。

以前我们认为一辆车的速度为u，一辆车的速度为v，那么这两辆 汽车 按照相反的方向驶去，它们速度合成公式就是w=u+v。

这是经典的速度合成公式，如果按照洛伦兹变换修正以后，新的速度合成公式为：

一般情况下v和u相对于c²很小，所以这个公式就会退回到经典的速度合成公式。但是当v和u很大的时候，公式中的分母就不能忽略不计了。

随着v和u的不断增大，它们合成的速度会不断地衰减，无限地逼近光速C，即使是两束光以光速背道而驰，当你把光速C代入公式就会发现，两束光叠加以后的速度也是C。

这就是为什么依靠速度叠加并不能突破光速的原因，很多人一直想通过速度叠加突破光速，原因是，你一直在用经典的速度叠加公式。而这个公式并不正确。

新的速度叠加公式，只是爱因斯坦解决超光速难题的第一步，根据这个公式，以及动量守恒定律，爱因斯坦还推导出了质速公式：

其中m₀代表了物体的静止质量，也成为内禀质量，m为物体运动以后获得的相对论质量，很明显当物体运动的速度越快，它获得的相对论质量越大。

当运动速度接近光速，相对论质量会趋于无穷大，导致物体的惯性质量也会趋于无穷大，当一个物体的惯性质量无穷大的时候，根据牛顿的力学方程，就需要无穷大的力，才能给物体继续提供加速度。

很显然没有无穷大的力，因此，一个质量物体只能无限地接近光速，不能达到，更不能超过光速。

同样的速度导致相对论质量的增加，只有接近光速的时候才会非常明显，日常生活中的速度根本不会引起物体惯性发生变化，就算是一个物体的运动速度达到光速的0.6倍，那么它的惯性质量才会增加1/4。

有人怀疑质速关系，到底是不是真实的效应，其实这个效应已经在很多的实验中得到了证实，比如我们通过电磁偏转实验测量电子荷质比的时候，就发现电子在低速情况下，荷质比是个定值，但是高速运动电子的荷质比就开始发生变化，这就是因为相对论质量在捣鬼；

还有在量子论发展的过程中，当考虑电子高速运动带来的相对论质量时，就可以解释原子光谱的精细结构问题。

还有粒子加速器实验，等等这些都验证了狭义相对论的质速关系是正确的。这里需要澄清的是，并不是物体的质量真正发生了变化，质量是物体的内禀属性，不会发生变化，增加的只是相对论质量，它同样会起到惯性的作用。

就这样，爱因斯坦就用新的速度叠加公式，以及质速关系，直接否定了质量物体达到光速的可能，更不可能超光速。

但是这里存在一个明显的问题，速度叠加公式是根据光速不变推导出来的，两个束光叠加肯定就是光速，然后又利用速度叠加原理，推导出质速关系，肯定也否定了超光速。

这是不是有点循环论证的问题。确实，这就是循环论证，但也叫逻辑自洽。这也是为什么即使相对论诞生到现在已经百年的时间了，依然有人不相信光速极限原理和光速恒定原理。

因为这两个原理，任何人都无法给出合理的证明，所以回答来回答去，都在绕着相对论回答，而相对论又是根据光速不变推导出来的，它本身就不允许超光速。

所以这个问题就卡在这了？无法解释？有点这么个意思，不过不要太过失望，其实还有一个更高层面的解释，可以说明为什么能量（信息）不能超光速？

那就是因果律。相对论本身就强调了现实的因果律，导致一个事件的原因总是发生在结果之前，如果出现超光速的可能，那么结果就可能出现在原因之前，这和我们普遍的经典定律相违背。

比如一个子弹可以超光速，那么当你还没有看到任何人扣动扳机的时候，你已经死于超光速子弹之下，而在这之后，才有人掏出了手枪扣动了扳机。这种违反因果律的事情，会导致整个现实世界彻底混乱。

孩子先于妈妈出生，导弹先爆炸，然后才发射，等等，因此爱因斯坦才断言，在物理学中不允许超光速的信号存在。

所以说，光速极限是因果律和狭义相对论共同的得出的结论。只要你承认现实的因果性，只要你接受狭义相对论，那么光速极限就是正确的。

如果你两者都不接受，那么这个世界上没有一个人可以为你解释为什么存在光速极限。

那这是不是就说明光速极限就一定正确？

其实跟光速恒定一样，前面的文章在讲到光速为什么恒定的时候，已经说过，没有绝对正确的理论，你完全可以证伪任何一个物理定律，只要你的证据足够，完全可以推翻相对论。

如果你在没有任何证据的情况下，就质疑现今人类建立起来的科学体系，那么你的质疑将不被任何人理睬。

这时有人又开始质疑了，你说来说去，还是没有解释为什么有光速极限。我说了是因为因果律的原因，那有人可能又会问：为什么会有因果律？因果律就一定正确吗？

一般这种问题，科学不予以回答。因为没办法回答。说白了，科学不允许你不断地问为什么。有些事情没有为什么，只能无条件地接受。

举个简单的例子，比如我们说宇宙诞生于大爆炸，所有的人都会问，大爆炸是怎么来的？真空能量的暴涨，那么真空能量是怎么来的？没人知道，如果我说是上帝创造的，还有人会问，上帝是怎么来的？它妈生的，那它妈是怎么来的？.....

这样的质问已经超出了上帝所能回答的范畴，所以记住一点：不是所有的事情都有为什么！科学更不能解答所有的为什么。

好了，今天的内容就到这里，下个内容，我们说双生子效应，这是狭义相对论中最经典的一个问题，如果你搞懂了双生子问题，作为科普，那就基本上理解了狭义相对论。