為什麼我們無法超越光速？

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E=MC2

幾乎每個人都知道，光速是宇宙中最快的速度，沒有任何物體能夠超越光速。雖然科幻電影中的超光速引擎，超空間跳躍等技術可以讓飛船實現超光速飛行。但不幸的是，科幻電影不能夠成為科學事實。

即使在理論上可以利用彎曲空間來達到光速航行，但那也並不是真正意義上的光速。今天，我們就來講講，為什麼物體不能夠超越光速。

如果你熟悉愛因斯坦的相對論，對於靜止不動的物體，你知道E=mc2，就會理解這個方程所施加的限制。c表示光在真空中傳播的速度，約為每秒30萬千米。在質能方程中，質量（m）和能量（E）是等價的。這意味著物質的質量越大，則其蘊含的能量就越大。最重要的是，這也意味著物質所含的能量越大，那它也越重。

運動是一種能量，就是我們所說的動能，所以物質在運動時的質量，要略大於相對靜止時的質量。根據狹義相對論公式，如果你以160千米每小時的速度扔出一個球，那麼它的重量會增加十萬分之二微克。雖然這個增加量很小，但根據公式，隨著速度越來越接近光速，質量的增加將會變得巨大。如果一艘飛船以90%的光速飛行，那它此時的質量是飛船靜止時的兩倍。這意味著引擎必須加倍輸出才能使飛船加速前進，但飛船的速度越高，質量也就會變得越大，從而需要更多的能量使飛船加速，同時飛船內的一切也變得越來越重。

你想想，靜止時只有14克左右的物體，當接近99.99%的光速時，它會達到多重呢？答案是約31噸。同理，如果飛船速度到達了光速，那麼它的質量將會是無窮大的，並且將需要無限多的能量來使它前進，顯然這是不可能的。這就是為什麼任何有靜止質量的東西，都不可能達到光速，更不用說超越光速的原因了。

那有辦法能解決這個極限嗎？一些科學家認為諸如速子這樣沒有質量的粒子可以超越光速，光速是這些粒子的最慢速度。然而，這些純粹是假象的粒子，可能根本就不存在。或許在宇宙中，我們真的無法超越光速，但我們可以通過摺疊或扭曲空間等技術，來實現光速航行，這並非不可能，只是時間問題。

1934年，愛因斯坦在黑板上推導狹義相對論。

愛因斯坦最著名的方程式E=mc2，是科學史上最廣為人知的一個公式，儘管並不是所有人都深知其含義。該公式表示一個物體的能量等於物體的質量乘以光速的平方。根據狹義相對論，質量和能量是等價的，並且是同一個物體的兩種不同表現。

物質都具有質量：大到星系、恆星和行星，小到分子、原子和基本粒子。不管它們有多小，所有我們已知的物質都有基本的性質：質量。也就是說即使它不再運動，或者讓它慢慢減速直至完全的靜止，它仍然會影響著宇宙中其它的物體。每個單獨的質量對宇宙中其它的物體都具有引力作用，不管距離多遠。它試圖吸引所有其它的物體，但也經歷著被所有其它的物體所吸引。此外，它的存在也具有一定的能量。

描述了大質量物體（比如太陽和地球）是如何影響時空的構造。

但是，這並不意味著只有具有質量的物體才能具備能量。在宇宙中也有完全沒有質量的粒子，比如光子。光子也攜帶一定量的能量，它們可以與其它的物體作用，並被吸收，以及傳遞能量給其它的物體。足夠能量的光可以加熱物體，並傳遞額外的動能（和速度）給它們。光子會把原子中的電子踢到更高的能量等級，或者完全電離它們，這都取決於光子的能量。

此外，無質量粒子（比如光子）的能量只由它們的頻率和波長決定，兩者的乘積等於無質量粒子的速度，即光速。波長越長，頻率越小，能量也越低。反之短波長意味著擁有更高的頻率和能量。

波長越長的光子能量越小。但是所有的光子，不論其波長和能量為何，它們的速度都一樣，即光速。

在物理上，我們把能量當做完成某項任務的能力，我們稱之為做功的能力。那麼有質量粒子和無質量粒子之間的能量有什麼關聯？

我們可以想像，將一個電子（物質）和一個正電子（反物質）相互碰撞，它們會湮滅併產生無質量粒子（比如兩個光子）。但是為什麼兩個光子的能量等於電子（和正電子）的質量乘以光速的平方？為什麼是E=mc2，而不是E=2mc2，或者是其它常數（? 或 π 等）？

愛因斯坦在講堂上推導狹義相對論 @1934年。

有趣的是，如果狹義相對論是正確的，那麼方程式必須是E=mc2。為什麼是會這樣？要回答這個問題，我們先開始想像在你空間中有一個完全靜止的盒子，在盒子的兩邊分別有兩面鏡子，有一個光子在盒子里朝著一端的鏡子傳播。如下圖：

思想實驗的裝置：一個具備動量和能量的光子在一個帶有質量M的靜止的（動量=0，動能=0）盒子里運動

最初，這個盒子完全的靜止，但是由於光子攜帶能量（和動量），當光子撞上盒子一端的鏡子時就會反彈，盒子則開始向光子最初的傳播方向移動。光子朝另一端的鏡子再次反彈折回，使盒子的動量再次改變為零。光子將不斷的來回反彈，因此盒子一半的時間向前移動，一半的時間保持靜止。

換句話，平均上這個盒子是在移動的，由於盒子擁有質量，它就具有一定的動能，這一切都是因為光子的能量。但更重要的是動量（是描述一個物體運動的量）這個概念。光子具有動量，其關係很簡單明了：波長越短、能量越高，因此動量也越大。

光子的能量取決于波長：波長越大能量越小，波長越短能量越大。

為了更好的理解，我們來做一個思想實驗。我需要你想像，最初當光子自身在運動時會發生什麼。它具有一定的能量以及一定的動量，這兩者都必須是守恆的。現在光子的能量由它的波長決定，盒子的能量由靜止質量決定。此外光子具有整個系統的動量，也就是盒子的動量為零。

現在光子撞上盒子，並暫時被吸收。動量和能量兩者都必須守恆，它們是宇宙中最基本的守恆定律。如果光子被吸收，這意味著只有一個方法能保持動量守恆：盒子獲得了一定的速度往光子移動的方向移動。

吸收了光子後盒子的能量（KE）和動量（M v）。如果盒子沒有在該作用中獲得了額外質量，能量和動量就不可能守恆。

現在，我們可以問自己，盒子的能量是多少？結果是我們熟知的動能公式：KE = ?mv2，m是盒子的質量，v是盒子的速度。但是，當我們比較現在盒子的能量與光子被吸收之前的能量，我們發現盒子現在的能量不夠。

難道是已知的物理定律在哪裡錯了？並不是，有一個非常簡單的解決方法。盒子/光子系統的能量是盒子的靜止能量加上盒子的動能再加上光子的能量。當盒子吸收光子時，大部分光子的能量轉換成了盒子的質量。一旦盒子吸收光子，它的質量跟它與光子作用之前不同（增加了）。

當盒子重新輻射出光子時，能量和動量仍然必須守恆。

當盒子重新輻射出光子（往相反的方向）時，它獲得了更多的動量和速度（為了平衡往反方向運動具有負動量的光子），甚至更多的動能，但是它必須失去一定的靜止質量來補償。在一點點的數學計算，你就會發現為了得到能量守恆和動量守恆，我們最終會得到質能關係E=mc2。

如果在方程式加上其它常數，就得不到守恆，每次吸收或輻射光子的時候都會得到會失去能量。直到1930年，當反物質最終被發現的時候，物理學家得到了E=mc2的第一次驗證，在這之前是上述的思想實驗幫助我們得到的該結果。

能量守恆與動量守恆是我們現在生活在這個宇宙所要求的，這也正是為什麼E=mc2。

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