為什麼物體運動不能超過光速？

1905年愛因斯坦提出了著名的狹義相對論。在這個全新的理論中，宇宙中的一切物體的運動速度被規定都不能超過光速。這個和過去的物理學格格不入，甚至有些蠻橫的規定到底是怎麼出現的呢？以及為什麼物理學家對超光速就那麼諱莫如深呢？

一. 光速不變的歷史背景

其實早在19世紀末的時候，物理學家就已經察覺到一些光速的不尋常了。光速的異常第一次出現在電磁波裡面。當時英國物理學家麥克斯韋剛剛提出著名的麥克斯韋方程組，統一了電磁學。人們很快發現，根據麥克斯韋方程組的預言，光速在任何參考系中似乎都應該是一個常數和光源，和觀察者的速度都無關。這句話的意思是說，我手拿一隻電筒，我看到電筒放出的光以光速往前運動。這很自然。不過如果我坐上一個0.5倍光速向前運動的火箭，我看到電筒的光還是以光速向前運動，而且沒有上火箭、靜止著站在地面的其他觀察者看到的光也是以光速向前運動，這就實在是太奇怪了。

二. 實驗與兩大基本假設

在電磁學理論剛出來的時候，物理學家們對光速不變這樣的推論其實是拒絕的。這太違反直覺了，一定是電磁學理論在什麼地方出了問題。然而經過了很長時間的摸索和修改，光速不變的這朵烏雲不但沒有從物理學的理論框架中消失，反而變得越來越強烈和明顯，想忽略都不行。

在1887年，兩位實驗物理學家，邁克爾遜和莫雷嘗試通過邁克爾遜干涉儀來測出光速相對於地球公轉速度的變化。

然而實驗事實卻以很高的精度告訴他們，儘管地球的公轉速度一直在不斷改變，但在地球上測到的光速卻是時時刻刻都是一樣的。這就意味著光速真的跟地球參考系的公轉速度沒有任何關係。

圖一： 邁克爾遜莫雷實驗原理圖

邁克爾遜-莫雷實驗非常強有力地表明了光速就是自然界里的一個非常特殊的速度，好吧，既然實驗沒有辦法否定它，人們只好學習如何去理解並接受這一事實。到了1905年，瑞士專利局的一個年輕人，阿爾伯特·愛因斯坦決定正式承認光速不變這個事實，並將光速不變作為一個基本假設放入它的新理論中。這個新理論就是後來大名鼎鼎的狹義相對論。

狹義相對論建立在兩大基本假設之上，其中一個是相對性原理，即要求物理定律不依賴於任何具體的慣性參考系。所以的慣性參考系均是平權的。第二個假設就是光速不變。但非常奇妙的是，人們發現這兩個看似簡單的基本假設要同時滿足的話，必須付出非常巨大的代價。因為這兩個假設在牛頓的絕對時空下是互相矛盾的。所以如果它們兩者都對的話，就一定意味著時間和空間不再是以前那種絕對的物理對象了。我們必須建立全新的時空。

三. 光速不變帶來的時空觀

如果我們用一種叫做洛倫茲變換的數學工具來代替牛頓時期的伽利略變換。那麼愛因斯坦提出的兩大基本假設就可以同時得到滿足。

圖二：慣性參考系的洛倫茲變換

但代價是，在不同的慣性參考系中長度不再是不變的了。時間的流逝速度也不再是一樣的了。甚至在不同的地方，時間的先後順序都不一樣了。在一個參考系中A事件在B事件之後發生。換一個參考系，A事件就有可能在B事件之前發生。也就是說，未來會變成過去，過去會變成未來！

四. 如果超過光速會發生什麼？

未來跟過去居然也是相對的。那這樣依賴於時間順序的因果律不是就完全亂套了嗎？不過還好。如果我們觀察得更細緻一些，我們就會發現時間順序的顛倒並不是一個普適情況，要發生過去和未來的顛倒需要滿足一些前提條件。這個條件就是：如果兩個觀測者看兩個事件A,B的發生先後順序要顛倒的話，則要求這兩個事件在時空上的間隔是一個類空間隔才行。

什麼叫類空間隔呢？

?圖三：時空圖

我們如果用時空圖來表示我們這個世界，水平方向是我們的空間坐標，豎直方向是我們的時間坐標。那麼光線運動的軌跡就一定處於一個45度傾角的圓錐中，這個時空圖上的圓錐就叫做光錐。它把我們的時空分成了三部分，分別是：處在光錐內部的，叫做（關於原點的）類時間隔。處在光錐之上的，叫做（關於原點的）類光間隔，和處在光錐之外的，叫做（關於原點的）類空間隔。

類空間隔的一個特性我們剛剛說了：兩個事件的時間先後順序想要顛倒的，這兩個事件必須處於類空間隔上。

類空間隔另一個的特性是:如果想從原點到達類空間隔的任何位置，那麼運動速度必須要超過光速才行。

兩個特性一結合我們就會發現：任何能量，物理和信息都不能超光速傳播！為什麼呢？因為如果有任何一種信息可以超過光速，那麼它就可以從事件A到達事件A的類空區域上的一個事件B。而類空間隔的兩個事件AB不具有絕對的過去和未來。這就使得從A,B既可以是對方的過去，又可以是對方的未來。而如果A，B之間還有超光速的信息往來。那麼這就意味著我們可以從未來發送一些信息來影響過去了! 這樣世界的因果律會瞬間土崩瓦解。

而這正是物理學家們如此固執地堅持任何信息一定不能超過光速傳播的原因。

出品：科普中國

製作：sym cheng

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