“光速不變”是什么意思，是什么限制了超光速現象？

大家應該在日常生活中應該都聽到過這樣一句話“光速在真空中是恒定的”，但是如果對愛因斯坦的相對論沒有了解的話，就會產生很多誤解。

比如在回答問題時總能遇到以下幾種問法：

• 把激光燈對著天空，激光的另一端的線速度不就超光速了？
• 如果有一根30萬公里的棍子，從另一端推一下，豈不是就超光速了？
• 把打開著的手電筒扔出去，手電筒發出的光是不是就超光速了？

其實，速度的極限并不是光速，而現在，我們已經發現了宇宙中確實存在超光速現象：宇宙膨脹的速度，量子糾纏效應等。那么，但為什么這些現象沒有和相對論產生矛盾呢？狹義相對論到底限制的是什么？

狹義相對論的兩大基本假設。

首先了解一下光速是怎么來的。

19世紀，有一位偉大的物理學家麥克斯韋，他最大的功績就將電和磁進行了統一，并總結出了四條電磁方程，在真空中對四條方程求解，可以得到一條微分方程。

可以看出這個形式的方程就是波方程，通過代換，可以得到電磁波在真空中的速度，這個速度和當時人們測量出來的光速是一樣的，這也間接證明了的光也是電磁波的一種。

一般來講，速度都是相對的，需要選定參考系。那么真空中光速是相對于什么而言的？首先人們很自然的就想到了真空里的介質，光速相對于真空中的介質，速度為c，并把這個介質aether（以太）當成宇宙中絕對靜止的參考系。

這就產生了一個問題：地球以每秒鐘30千米的速度公轉，那么必然會受到每秒30公里的“以太風”，然后對光速產生影響，接著邁克爾遜和莫雷就做了一個實驗，為了測量出地球通過以太的速度。

而實驗表明：不管是射出光線和地球運動方向相同還是相反，測出來的光速都相同，也就是地球和它們設想的以太介質之間并沒有相對運動。

這時愛因斯坦就表示：以太是根本不存在的，光速相對于任何參考系都是不變的。

我們知道：在一個相對靜止的參考系中，物理現象是不變的。舉個例子：人在地面跳一下和在運動的火車里面跳一下，都還是會落到原地，就是因為人相對于腳下的地方是靜止的。然后愛因斯坦把它稱作狹義相對性原理。

鑒于此，愛因斯坦就表示：以太是根本不存在的，光速相對于任何慣性參考系都是不變的。于是光速不變原理和狹義相對性原理就成了狹義相對論的倆大基本假設。

以太學說被推翻了，文章開頭的問題就可以這樣理解了：光速不需要一個絕對的參考系，也就是說：無論是把手電筒扔出去，還是站在原地不動，光速都是一樣的。

基于兩大假設，狹義相對論中又提出以下幾個理論。

• 質增效應：意思就是說，對于一個有質量的物體，它的速度不可能等于或大于光速，因為在它加速的過程，越接近光速，質量就會越重。當達到99.9%的光速的時候，物體質量也會增加到無窮大，再想加速，就需要無窮大的能量。而無窮大的能量在宇宙中是不存在的。

• 時間膨脹（鐘慢效應）：物體運動的時候，它發生的一切變化，從參照系的角度來看都會變慢，這就是時間膨脹。舉個簡單的例子：勻速運動的人身上的時鐘，用靜止的觀察者的時鐘去測量，不管運動方向如何，運動中的鐘都會隨著運動速度增加而變慢。

因果律的限制：能量和信息傳遞速度的上限。

這里的因果關系和我們平時在生活中所說的其實是一樣的：就是先有因后有果，在時間尺度上，結果的發生應該晚于原因。之所以說是定律，是因為這因果關系對我們來說，最熟悉不過了，更不會人會去質疑它。

而信息就是用來把原因和結果聯系到一起。如果在一個參考系中，信息的傳遞超過光速，就可能出現某個觀察者先看到結果，之后才看到原因，這就違背了因果律。

我們可以想象這樣一個場景：開槍和擊中目標物體，假設子彈的飛行速度超過光速，再讓這兩個物體之間的距離，除以前因后果發生的時間差，然后就會發現結果是大于光速的。

這就意味著，對于一位旁觀者來說，他會先看到子彈擊中目標，然后才看到開槍然后子彈飛行的過程。這就違背了因果關系。

這里還要再提一下，世界線的概念。舉個例子：地球繞太陽的運行軌道是一個封閉的圓，每年都會經過同一個點，而在四維時空中，因為加入了時間，經過每年都經過同一個點，但經過的時間一直在變化，所以地球的世界線會呈現像彈簧一樣的螺旋式，而并不會形成閉合的曲線。

而一旦違背了因果律，相對論也會受到影響，地球的世界線就會繞回到原點甚至出現交叉的時空曲線，這就意味著，我們可能回到過去，甚至進行時間旅行。

所以超光速的運動會違背因果律，畢竟在這個世界上，不可能有絕對同時發生的兩件事情。

這樣我們就能完美的解釋超光速現象了，宇宙膨脹的速度遠大于光速，但是空間本身的膨脹是不攜帶信息的，量子糾纏效應也是。光速不可超越，具有一定的前提，超光速也并非不存在。

最后我們來總結一下。

• 光速不變說的是：光在任何參考系下的速度都是常數c。
• 狹義相對論和因果律不允許信息的傳遞速度超光速。
• 超光速現象之所以存在，是因為它們沒有違背狹義相對論的前提條件。