說(shuō)到光速和“超光速”的話題，一定離不開愛因斯坦的相對(duì)論。
狹義相對(duì)論表明，速度越快時(shí)間就越慢，當(dāng)速度無(wú)限接近光速時(shí)，時(shí)間就趨于停止。那么，如果一個(gè)物體的速度超過了光速，是否意味著時(shí)間會(huì)倒流，我們就能回到過去呢？
坦白來(lái)講，對(duì)于光速和超光速的問題，已經(jīng)不能用狹義相對(duì)論去詮釋了，因?yàn)楠M義相對(duì)論只適用于比光速低的世界。如果非要強(qiáng)行用狹義相對(duì)論詮釋的話，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)相對(duì)論很多公式會(huì)出現(xiàn)虛數(shù)，也就是失去了現(xiàn)實(shí)意義。
但是，要想更深入更具體地了解超光速的問題，我們又必須以狹義相對(duì)論為基礎(chǔ)。下面我們就從速度和光速這兩個(gè)概念進(jìn)行深入分析。
首先，速度等于距離除以時(shí)間，而距離也就是空間的度量，因?yàn)樗俣鹊挠?jì)算公式也就是：速度就等于空間與時(shí)間的比值，速度與空間和時(shí)間息息相關(guān)。
同時(shí)，日常生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，速度是相對(duì)的，沒有絕對(duì)的速度。也就是說(shuō)，任何速度都是建立在某個(gè)參照系基礎(chǔ)上的速度，也就是相對(duì)參照系的速度，沒有參照系的速度是沒有意義的。
這一點(diǎn)很好理解。就比如說(shuō)高速公路限速每小時(shí)120公里，這里的“時(shí)速120公里”就是默認(rèn)地面為參照系，默認(rèn)的都沒有必要刻意強(qiáng)調(diào)了。而時(shí)速120公里就是相對(duì)速度，如果換做其他參照系，這個(gè)速度就會(huì)發(fā)生變化。比如說(shuō)你駕駛汽車在高速公路上行駛，時(shí)速已經(jīng)達(dá)到160公里，嚴(yán)重超速了，你朋友坐在你旁邊。
警察找到你之后，你狡辯說(shuō)“我沒有超速啊，我行駛的速度為零，不信你問我朋友，在他眼里我的速度就是零”。確實(shí)，以你朋友為參照系，汽車的速度確實(shí)為零，但你認(rèn)為這樣就能忽悠警察了嗎？
我想說(shuō)的是，正因?yàn)?strong>速度是相對(duì)的，所以參照系的不同，會(huì)帶來(lái)完全不同的速度。
但是，后來(lái)物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，光速是個(gè)例外，光速總會(huì)保持不變，不管選擇什么參照系，光速都恒定不變。也就是說(shuō)，光速并不是相對(duì)的，而是絕對(duì)的。言外之意，光速與其他任何速度疊加之后仍舊保持光速不變。
光速的這種絕對(duì)性太違反我們的日常生活認(rèn)知了，舉個(gè)例子就明白了。
你駕駛一輛小汽車在大街上行駛，速度為V，我靜止在地面上。對(duì)于我來(lái)講，汽車車燈發(fā)出的光的速度是多少呢？
按照我們平時(shí)用的速度疊加公式，這個(gè)速度應(yīng)該等于汽車的速度加上光把本身的速度也就是光速，因?yàn)榭雌饋?lái)汽車會(huì)給光線一個(gè)初速度，然后光本身在這個(gè)初速度基礎(chǔ)上以光速飛行，最終的速度就是V+C。
但事實(shí)并非如此，我看到的車燈發(fā)出的光線速度仍舊是光速C，而且不管你駕駛的小汽車速度有多快，哪怕無(wú)限接近光速，我看到的速度仍舊保持光速不變。
光速就是這么奇特，這么“霸道”，它不會(huì)因?yàn)槿魏挝矬w的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變，也就是說(shuō)光速是絕對(duì)的，對(duì)于任何人任何物體來(lái)講都是一樣的。
而問題就在這里。
剛才說(shuō)了，速度是某個(gè)物體在空間中單位時(shí)間內(nèi)的位移，既然光速保持絕對(duì)不變，就意味著該物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，它空間和時(shí)間就不可能保持絕對(duì)不變，必須時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，只有這樣才能保證光速的絕對(duì)不變性。
而愛因斯坦本人其實(shí)也是這么想的，當(dāng)然過程肯定不是如此簡(jiǎn)單，首先是麥克斯韋方程組方程組推導(dǎo)出來(lái)的光速計(jì)算公式給了他靈感，公式表明光速就是一個(gè)不變的常數(shù)，在這種靈感的基礎(chǔ)上，愛因斯提才提出了“光速不變?cè)怼薄?/p>
那么，為什么我們?nèi)粘Ｉ钪懈惺懿坏娇臻g和時(shí)間的變化呢？原因很簡(jiǎn)單：我們平時(shí)經(jīng)歷的速度在光速面前顯得太慢了，完全可以忽略不計(jì)，所以我們很難發(fā)現(xiàn)“光速不變”對(duì)時(shí)間和空間帶來(lái)的影響。
而如果你能以非常接近光速的速度飛行，光速不變帶來(lái)的影響將會(huì)十分明顯。如果我還是靜止在地面上，而你以非常接近光速的速度駕駛一輛小汽車，我會(huì)看到汽車的長(zhǎng)度在其運(yùn)動(dòng)方向上變短了，而你的時(shí)間也變慢了，這就是所謂的“尺縮效應(yīng)”和“時(shí)間膨脹效應(yīng)”。
但是對(duì)于駕駛汽車的你來(lái)講，你不會(huì)感覺到你的時(shí)間有任何異常，如果你汽車?yán)镉戌姳恚姳淼牡未鹚俣扰c汽車靜止時(shí)的滴答速度是一樣的。不過一旦你朝車外看，就會(huì)看到異常景象，不僅汽車外的時(shí)間變快了，路邊的高樓大廈等景物會(huì)不斷朝汽車運(yùn)動(dòng)的反方向扭曲，而天空則會(huì)朝視線的盡頭收縮。
所以說(shuō)，因?yàn)?strong>光速的絕對(duì)不變，就要求時(shí)間和空間就要相對(duì)改變，隨著物體不同的運(yùn)動(dòng)速度而做出相應(yīng)調(diào)整，調(diào)整的目的就是保證光速不變。
而如果沒有空間和時(shí)間的不斷調(diào)整，我們?cè)诓煌\(yùn)動(dòng)狀態(tài)下看到的光速就是不同的。
這也是為什么愛因斯坦會(huì)說(shuō)：時(shí)間和空間從來(lái)不是獨(dú)立的事物，而是一體的，兩者一起組成了不可分割的四維時(shí)空。而四維時(shí)空也是狹義相對(duì)論的根基。
光速的這種特殊性會(huì)帶給我們很多“反常”的感受。比如說(shuō)，你永遠(yuǎn)無(wú)法追趕上一束光，不僅如此，當(dāng)你試圖追趕一束光的時(shí)候，不管你的速度有多快，哪怕無(wú)限接近光速，在你眼里那束光仍舊會(huì)以光速離你而去，你的速度與那束光的速度差一直會(huì)保持光速。
也就是說(shuō)，光速不可能因任何物體運(yùn)動(dòng)的快慢而發(fā)生改變，結(jié)果改變的只有運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間和空間。
對(duì)于光速不變，還有人會(huì)有這樣的質(zhì)疑：既然在任何運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，光速都保持不變，那么假設(shè)你跑向一束光，光照射到你身上所需的時(shí)間，為什么會(huì)比你靜止不動(dòng)時(shí)所需時(shí)間更短呢？
畢竟無(wú)論你是運(yùn)動(dòng)還是靜止，那束光飛向你的速度都保持不變。事實(shí)也確實(shí)如此，但是由于那束光照射到你身上需要一段時(shí)間（盡管時(shí)間可能會(huì)很短），在這段時(shí)間里，你的位置發(fā)生了變化。當(dāng)你朝著那束光運(yùn)動(dòng)時(shí)，在那束光照射到你身上這段時(shí)間里，你肯定運(yùn)動(dòng)了一段距離，而這段距離讓你和那束光更近了，也就是說(shuō)，那束光飛行的距離更短了。
所以，當(dāng)你朝著那束光運(yùn)動(dòng)，光照射到你身上花費(fèi)的時(shí)間會(huì)比你靜止時(shí)更短，而在這個(gè)過程中光速并沒有發(fā)生改變。
那么速度和空間到底做出怎樣的改變，才能迎合光速那霸道的“絕對(duì)不變性”呢？其實(shí)剛才已經(jīng)提到了，速度越快，時(shí)間就越慢，空間就越短。時(shí)間和空間正是通過變慢和縮短的方式來(lái)一起協(xié)作，保證光速的絕對(duì)不變，而且時(shí)間變慢和空間縮短一定是同時(shí)發(fā)生的，因?yàn)闀r(shí)間和空間是不可分割的整體，也可以通俗理解為“時(shí)間和空間是一個(gè)東西”。
現(xiàn)在我們都知道了速度越快時(shí)間就會(huì)越慢，那么如果速度達(dá)到光速，是否意味著時(shí)間就停止了呢？
確實(shí)是這樣，或者說(shuō)“通俗理解是這樣的”。光速飛行，時(shí)間停止。更嚴(yán)謹(jǐn)來(lái)講是，光速飛行，就沒有任何時(shí)間概念了。
如果一束光有意識(shí)，那么對(duì)于光來(lái)講，從一個(gè)地方飛行到另一個(gè)地方，完全不會(huì)消耗任何時(shí)間，因?yàn)楣馐菦]有時(shí)間概念的，光是獨(dú)立于參照系之外的，不但沒有時(shí)間概念，也沒有空間概念。
或許有人對(duì)于“光速運(yùn)動(dòng)，時(shí)間停止”會(huì)有這樣的疑問：既然光速飛行的物體時(shí)間是停滯的，那么為什么我們看到的光的傳播還需要時(shí)間呢？
這就涉及光速不變?cè)砹?，在任何參照系下，光速都保持不變，這就意味著，無(wú)論我們?cè)谌魏吻闆r下看到的光，都會(huì)以恒定的光速傳播，這也是為什么我們經(jīng)常會(huì)說(shuō)“太陽(yáng)光到達(dá)地球需要大約8分20秒”。
但是對(duì)于光本身來(lái)講，它是沒有任何時(shí)間概念了，也可以這么通俗理解：光的一瞬間，外部世界就過去了無(wú)限久的時(shí)間！
所以，光是不能作為參照系的，它是一個(gè)無(wú)效的參照系。而以光速飛行的任何物體，都無(wú)法進(jìn)行有效觀察。因此，嚴(yán)格來(lái)講，所有“以光本身的角度來(lái)講”的說(shuō)法，其實(shí)都是沒有意義的，起碼是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，平時(shí)我們那么說(shuō)只是為了更通俗地理解問題。
那么，既然“光速飛行，時(shí)間停止”，是否意味著“超光速飛行，時(shí)間就會(huì)倒流了呢？”
超光速的問題已經(jīng)不是愛因斯坦相對(duì)論能解決的了，相對(duì)論只能解釋低于光速的運(yùn)動(dòng)，一旦速度超過了光速，相對(duì)論公式就會(huì)出現(xiàn)虛數(shù)，引發(fā)沒有意義的結(jié)果。這也間接表明了一點(diǎn)：相對(duì)論是拒絕超光速發(fā)生的。
為什么在相對(duì)論體系下，不允許超光速呢？
我們可以找到很多理由，這里就說(shuō)一個(gè)相對(duì)直觀簡(jiǎn)單的理由：質(zhì)增效應(yīng)：。當(dāng)一個(gè)物體的速度無(wú)限接近光速時(shí)，質(zhì)量就會(huì)趨于無(wú)窮大，這時(shí)候物體想要繼續(xù)加速，就需要無(wú)窮大的能量才可以做到，整個(gè)宇宙的能量都滿足不了，顯然這是不可能的。
所以，最終的結(jié)果就是“超光速飛行時(shí)間倒流”是不可能發(fā)生的，因?yàn)椤俺馑佟边@個(gè)前提本身就不可能出現(xiàn)，結(jié)論當(dāng)然是錯(cuò)的了。
還有人會(huì)有類似這樣的疑問，舉個(gè)例子，假設(shè)你和我同時(shí)以0.6倍光速逆向奔跑，在我們兩人眼里，看到彼此的速度是不是1.2倍光速呢？如果是的話，不就超光速了嗎？
答案是否定的，我們之間的相對(duì)速度并沒有超光速。這里就涉及“伽利略變換”和“洛倫茲變換”之間的區(qū)別了。
簡(jiǎn)單來(lái)講，平時(shí)我們所用的速度疊加計(jì)算就是“伽利略變換”，用公式表達(dá)就是V=V1+V2，只適用于低速世界，是以絕對(duì)時(shí)空觀為背景的。
但由于我們所在的時(shí)空是相對(duì)的，如果速度達(dá)到了亞光速，伽利略變換就不再適用了，必須用更精確的洛倫茲變換才行。說(shuō)白了，伽利略變換是洛倫茲變換在低速世界的近似值，當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)低于光速時(shí)，洛倫茲變換就會(huì)簡(jiǎn)化為伽利略變換。
從洛倫茲變換公式中能夠看出，不管兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度有多快，兩者之間的相對(duì)速度都不可能超過光速。
我們也可以換一個(gè)角度來(lái)理解“為何物體的速度無(wú)法達(dá)到或者超過光速”，因?yàn)橐话愕奈矬w都有質(zhì)量，準(zhǔn)確來(lái)講是“擁有靜質(zhì)量”，所以物體的速度不可能達(dá)到光速。而光子是沒有質(zhì)量的，所以光子以光速飛行，而且必須以光速飛行。從慣性的角度理解，因?yàn)楣庾記]有質(zhì)量，也就沒有了加速的難度，可以通俗理解為“瞬間就可以達(dá)到光速，沒有任何加速過程”。
說(shuō)到“光子沒有質(zhì)量”，還會(huì)引發(fā)類似這樣的質(zhì)疑：既然光子沒有質(zhì)量，為什么還會(huì)被大質(zhì)量天體，比如說(shuō)黑洞吸引？
這就牽扯到廣義相對(duì)論對(duì)引力本質(zhì)的詮釋了。牛頓認(rèn)為萬(wàn)物之間都存在引力，引力的大小與物體質(zhì)量息息相關(guān)。不過在廣義相對(duì)論體系下，引力“不復(fù)存在”，引力的本質(zhì)其實(shí)是“時(shí)空彎曲”，是一種幾何效應(yīng)。
通俗理解就是，光子被黑洞吸引， 其實(shí)是光子掉進(jìn)被黑洞彎曲的時(shí)空里罷了，所謂的“吸引”只是沿著彎曲的時(shí)空運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的表象罷了。
總結(jié)
超光速，并不能讓我們回到過去，起碼在我們所在的四維時(shí)空里是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)?strong>四維時(shí)空里本來(lái)就是限制“超光速”出現(xiàn)的。但如果我們想回到過去，也不一定非得盯著“超光速”，可以換一種思維方式，利用其他方式“回到過去”。
比如說(shuō)，傳說(shuō)中的“蟲洞”。
根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言，宇宙中存著這樣一種時(shí)空結(jié)構(gòu)，可以連接兩個(gè)不同的時(shí)空點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)就是蟲洞，蟲洞可以讓我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)在兩個(gè)不同的時(shí)空之間來(lái)回穿梭，這是否意味著，未來(lái)的人類可以通過“蟲洞”在時(shí)空中來(lái)回穿梭，甚至回到過去呢？
雖然“制造蟲洞”難度巨大，但起碼理論上是可行的，也就是說(shuō)，大自然似乎并不反對(duì)我們回到過去。但既然如此，為什么至今我們都沒有看到“未來(lái)人”穿越到我們?nèi)缃竦氖澜缒兀?/p>
這又是另外一個(gè)問題了，這里就不再詳述了，就給大家思考。
完！
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