為什么有上限幾乎是一個哲學(xué)問題，很難回答。而解釋人類是怎么得出有上限這個結(jié)論則容易得多，近似等價為狹義相對論是怎么得出的。
我試著用十分鐘的時間講一下，前七分鐘講故事，后三分鐘講數(shù)學(xué)推導(dǎo)。
上個世紀(jì)，愛因斯坦同學(xué)成大牛之前，物理學(xué)進(jìn)入了一個天國時期。大到星塵小到沙粒，都在牛逼頓簡單而唯美的理論下安份守已的運行；世間萬物背后所有的機(jī)理都明確了，清晰了。
可以說這時的物理學(xué)已經(jīng)沒有新的規(guī)則可以發(fā)現(xiàn)了，已經(jīng)完美了...除了兩個小小的瑕疵，人們相信那一定是無關(guān)緊要的。
我們的故事，就從其中一個說起。
先帶大家復(fù)習(xí)一個公式，我保證在講故事的階段只用到這一個公式：
C=(εμ)^1/2
高中物理學(xué)過，這是麥克斯維方程導(dǎo)出的電磁波速度，也就是光速的公式。不解釋推導(dǎo)的過程只說結(jié)果，最終光速是一個常量，大概是30萬公里每秒。
給一分鐘時間，看看這個公式有什么問題。
……………
好吧，不知道你是不是真的盯著看了一分鐘。放棄吧，如果你能看出來你也是大牛了，至少在我眼里是。
這公式的問題是：沒有參照物。
我們說速度都是一個相對的概念，比如你在100km時速的列車上以10km的時速奔跑，以地面為參照物你的速度就是110km/h，以車為參照你的速就是10km/h。牛頓框架下的任何物理規(guī)律都是暗涵這一概念的。
但是光速，沒有，它就是一個常量，理論上把這個公式代入任何一個以任何速度運動的參照物，最后他們的相對速度，都是一個常量，火車上發(fā)出的一束光不論相對火車的速度還是相對地面的速度都是c——光速是不變的。。。這不科學(xué)。
牛頓不可能錯，麥克斯維也不可能錯，所以一定是我們理解錯了—當(dāng)時的科學(xué)家這么想。于是開始給牛頓力學(xué)打補(bǔ)丁。
他們“發(fā)明”了一種叫“以太”的物質(zhì)，這種物質(zhì)在空間中無處不在，卻又無法感知，看不見也摸不著。以太唯一的作用是光的載體，光的速度是相對于以太的速度。
其實相對論的名字就跟以太有關(guān)。因為借助以太可以定義絕對的靜止，絕對的坐標(biāo)系，而在愛因斯坦看來這種絕對是不存在的，世界是相對的。
有了以太的幫助牛頓的理論重新完美了，以太就像空氣一樣存在于宇宙中，日月星辰在其間穿插運行。
科學(xué)家預(yù)言，在以太中，如果你跟光同向運動，測得的光速就會小一點；逆向運動，測得的光速就會大一點。只是光速實在太快了很難測量精確，但這沒關(guān)系，總有某一天能的，那時整個物理學(xué)就可以蓋棺定論了。
事實上這一天沒有等多久，一個叫邁克爾遜的小伙子想出了一個巧妙的方法，可以很清晰地測量兩束光之間的速度差。有興趣知道細(xì)節(jié)的可以百度邁克爾遜實驗，理科生在大學(xué)應(yīng)該都做過。
就在他搭建好所有的實驗環(huán)境小心肝撲通撲通的準(zhǔn)備見證歷史的時候，他發(fā)現(xiàn)，實驗失敗了！或者說實驗是成功的，但結(jié)果跟預(yù)期完全相反：光速在任何方向上都是完全相等的，這個世界沒有以太！
這下玩大了，如果理論科學(xué)家對光速公式的懷疑只是一點點的話，現(xiàn)在則是被真真正正地震撼到了，科學(xué)家們?nèi)卤屏耍瑹o解??！難道物理學(xué)真的完蛋了嗎？
這時候天空一聲巨響，躲在檔案館當(dāng)二級管理員的小愛同學(xué)登場了。
小愛同學(xué)覺得，公式寫得很清楚光速就是不變的，你們科學(xué)家偏偏想方設(shè)法解釋它是可變的，你們科學(xué)家的世界我真不懂，你們就不能講點科學(xué)嗎？
于是狹義相對論的第一個基石誕生了：光速不變性。
小愛認(rèn)為光速對于任何觀察者來說都是個固定的常量，c。你以一半的光速去追一束光，光照樣以c的速度離你遠(yuǎn)去，不悲不喜；你以一半的光速去迎接一束光，光一樣以c的速度接近你，不增不減。永遠(yuǎn)不會變成1.5c或者0.5c。
狹義相對論的第二個基石是狹義相對性，這要從愛因斯坦的一個理想實驗說起。
為了解釋什么是理想實驗，耽誤一分鐘時間插個單獨的故事：
伽利略在比薩斜塔往下扔球可能是最廣為人知的物理實驗之一了，書上說這個實驗證實了物體下落的速度跟重量無關(guān)，否定了亞里士多德越重越快的落體理論。而事實上，這真的只是文科生寫的心靈雞湯而已。因為伽利略比雞湯的作者聰明太多了，他躺在那動動腦子就把亞里士多德給否了：如果重球比輕球落得快，那么不妨設(shè)想把一個重球和一個輕球綁在一起。由于重的落得快而輕的落得慢，輕球會拖住重球給它一個阻力讓它減速，因此倆球的下落速度應(yīng)該會介于重球和輕球之間。然而，如果把兩個球看成一個整體，則總重量大于重球，它應(yīng)當(dāng)下落得比重球單獨下落時更快的。于是這兩個推論之間自相矛盾，亞里士多德的論斷錯誤。
這就是理想實驗，在塔上扔球跟它一比太low逼了。這個實驗避開一切可能引起撕逼的誤差從邏輯上直接證明也是對的。
狹義相對論的理想實驗遠(yuǎn)沒有伽利略的這個說起精彩，更不如后來廣義的那個等效實驗。
它用一句話就能描述：你在一個太空船里，隨便用什么方法，能區(qū)分出船是靜止還是勻速直線運動的嗎？
這就是狹義相對論的第二個基石：狹義相對性原理。這個原理可以有很多種不同的表述，比如物理規(guī)律在一切慣性系中是等價的；比如靜止和勻速運動是等價的；比如沒有一個慣性系是特殊的。
簡單解釋一下，所謂物理規(guī)律等價，就是你不論從哪個參照坐標(biāo)去看物理公式都成立。比如f=ma，不論你從100km/h的火車或者在靜止的地面上看同一個物體，a也許會變，甚至m也可能變，f的數(shù)值可能變，但f=ma等式成立不變。
再說C=(εμ)^1/2。。。因為相對性，它在所有慣性參照系下都成立，光速在任何慣性參照系下都會得到相同的常量。所以光速不變性是狹義相對性的一個特例而已。
有了光速不變和狹義相對原理，只要再來一些高中的數(shù)學(xué)知識，就可以推導(dǎo)出整個狹義相對論的宏偉構(gòu)架了。
事實上，即使不需要數(shù)學(xué)推導(dǎo)，只根據(jù)這兩個基本原理，通過一些簡單的理想實驗，就已經(jīng)可以得出一些很有趣很玄幻的結(jié)論了。比如：時間。
有興趣的可以百度愛因斯坦光鐘，很簡單，不需要任何數(shù)學(xué)知識，你就可以知道為什么時間變慢了。
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講故事時間結(jié)束，下面我們開始真正以科學(xué)家的方式來完整地推導(dǎo)相對論，見數(shù)學(xué)就頭大的可以直接跳過。
1. 牛頓的時空觀-伽利略變換
前面提過，列車相對地面時速100km前進(jìn)，你在車上相對車10km時速奔跑，那么你相對地面的速度就是110km/h。這就是牛頓的時空觀，伽利略變換。
嚴(yán)謹(jǐn)一點，我們用數(shù)學(xué)的方法來描述一下。
(x,y,z,t)和(x′,y′,z′,t′)分別為同一個事件在兩個坐標(biāo)系S和S'中的坐標(biāo)，t為時間。兩個坐標(biāo)系以相對均速運行（速度為v），運行方向為x和x′，原點在時間為t=t'=0時重合。
x′ = x - vt
y′= y
z′= z
t′= t
最后一條方程式意味著時間是絕對的，不受觀測者的相對運動影響的，對所有人都是一樣的。
這是牛頓的時間觀：海上升明月天涯共此時，翻譯成英文就是 my time is your time。
2. 愛因斯坦的時空觀-洛侖茲變換
回到那輛相對地面時速100km前進(jìn)的火車，這次你在車上沒像兄弟一樣奔跑，而是打開了手電筒。
按照伽利略變換，光相對于地面的速度就是c+100km/h，這與光速不變矛盾。所以如果邁克斯維沒有問題，那一定是伽利略變換出了問題。那現(xiàn)在需要一個新的時空變換方式了。
ps: 以下過程是我自己yy的，未必是愛因斯坦的思考方式，但結(jié)果是一樣的。
同上圖，我們假設(shè)以下變換方程
x′= f(x, t)
y′= y
z′= z
由于x′與x同量剛，所以f(x, t)必然是關(guān)于x的線性變換。
我們只需稍微改動一下伽利略變換
x′ = k(x - vt)
根據(jù)相對性原理：
x = k(x′+ vt′)
當(dāng)然如果你不想知道什么是量剛，也可以用另一個方式解釋：
如果不是線性變換，假設(shè)
x′ = x^2
那么你的尺子0到1米之間的距離，跟0到100厘米之間的距離，經(jīng)過變換之后就不一樣了。計算的結(jié)果跟尺子刻度的選擇有關(guān)，這不科學(xué)。
3. 由光速不變原理可求出常數(shù)k
設(shè)光信號在S系和S'系的原點重合的瞬時從重合點沿x軸前進(jìn)，那么在任一瞬時t（或t'），光信號到達(dá)點在S系和S'系中的坐標(biāo)分別是：x=ct, x'=ct'，則：
ct = k (ct' + vt')
ct' = k(ct - vt)
兩式聯(lián)立:
ct = k^2(c + v)(c - v)t / c
既
k = (1 - (v/c)^2)^(-1/2)
從而得到完整的洛倫茲變換公式：
注意，t不等于t2，在愛因斯坦的世界里的時間不是唯一的，my time is not your time。
好了，到這里狹義相對論的主體就推導(dǎo)完了，其它的都是推論了。
為什么e = mc^2? 把動能守恒帶進(jìn)去就行了。
為什么尺縮鐘慢，計算一下dx就行了。
總之把你能想到的慣性系下的東西往里面帶，一切玄幻的結(jié)果就出來了。
回到主題，為什么光速無法超越？從阻卻因素講，越接近光速質(zhì)量越大；從本質(zhì)講，因為v大于c時x就是虛數(shù)不在這個位面了。
所以說，速度有上限，是麥克斯韋公式和狹義相對性假設(shè)的一個必然推論。
不知道十分鐘過了沒，如果過了，my time is not your time。
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