《宇宙的琴弦》(1) 为什么宇宙万物运动速度不可能超过光速？

今天的内容主要是阐述了爱因斯坦的狭义相对论，时间、空间以及光的的原理。由于内容过于抽象，书中也列举了大量的思想实验进行验证和说明，这里我筛选了部分实验和结论为了大家讲述。

爱因斯坦的狭义相对论指出，空间和时间都不是绝对的，构成狭义相对论基础的两个简单的原理：

1：一个与光的性质有关，也就是光速是恒定的，光速是10.8亿千米/小时；

2：另外一个相对比较抽象，是相对性原理，也就是运动是相对的。这个原理基于一个简单的事实：不论我们讨论速度的大小还是方向，都必须要明确测量者。这个就是相对论思想的精髓。我们用一个思想实验说明。

假设在浩瀚的宇宙，乔治飘忽在黑暗的空无一物的空间中，从他的角度，他是完全静止的。而远处，他看到另外一个同样漂浮在宇宙中的另外一个人格雷西正向他飘过来。经过他时，他们相互挥了挥手。紧接着，格雷西消失在黑暗的夜空中。这个故事如果从格雷西的角度看，也可以解释为，格雷西自己感觉是静止的，远处的乔治向她飘过来，然后挥了挥手之后消失在夜空中。这两个故事讲的是同一件事情。两个人都觉得自己的静止的。这就是相对性原理的精髓：运动是相对。

在狭义相对论里，不仅运动是相对的，时间和空间的结构密切依赖于观察者和被观察者之间的相对运动。运动物体的演化会变慢，运动物体在时间上会感觉慢了，在运动方向上的长度也变短了。

在爱因斯坦的狭义相对论里，物体的运动大部分是在时间，而不是在空间中度过的。在我们的普遍认知中，我们都是在空间中度过的，我们坐在沙发上看电视，在大街上行走，我们生活在一个三维的空间里，这个大家比较好理解。但爱因斯坦将我们的时间看成宇宙的第四维度，我们实际上是生活在包括时间维度的四维的宇宙中。比如当我们约一个朋友在什么地方见面时，我们除了确定双方的三维空间（就是在什么具体的地方）以外，我们还会约定一个时间，比如下午4点见面。

于此，爱因斯坦将时间和空间的概念统一在一起。前面我们讲到，当物体相对于我们空间运动时，它的时间也会变慢。那么同样的，在时间的维度里，当物体相对时间运动时，它在时间里的运动速度也变慢了。

宇宙间的一切事物总是以一个恒定的速度（光速）在时间和空间里运动，而且我们三维空间和一维时间的相加的速度就是光速。但我们日常生活中运动的物体速度远小于光速，因此我们感觉不到相对效应的存在。这点怎么解释呢？

加入一个物体（相对于我们）是静止的。也就是说它在空间里是不动的，那么相对于我们，这些物体的空间运动速度是0，所以我们和这些物体在时间维度的速度是一样的光速，所以我们会跟它们以一样的速度变老。但是另外一面。如果一个物体相对于我们是运动的，比如汽车从我们身边驶过，那么物体运动的转移意味着它在空间运动速度大于0，所以它在时间速度中就会微小于光速，因为它有一部分运动转移到空间里面去了。也就是说，当物体在空间运动时，它的时间会变慢。

如此推演，当物体在空间中的运动速度为光速时，那么它是时间应该是静止的，也就是时间的速度为0。那么，如果物体的运动速度超过光速，我们就可以时光倒流吗？可惜的是，任何物体的运动不可能超过光速。这是为什么呢？

质能等价理论是爱因斯坦狭义相对论的最重要的推论,即著名的方程式E=mC²,式中E为能量,m为质量,C为光速；也就是说,一切物质都潜藏着质量乘于光速平方的能量.由此可以解释为什么物体的运动速度不可能超过光速。

一个静止的物体,其全部的能量都包含在静止的质量中.一旦运动,就要产生动能.由于质量和能量等价,运动中所具有的能量应加到质量上,也就是说,运动的物体的质量会增加.当物体的运动速度远低于光速时,增加的质量微乎其微,如速度达到光速的0.1时,质量只增加0.5％.但随着速度接近光速,其增加的质量就显著了.如速度达到光速的0.9时,其质量增加了一倍多.这时,物体继续加速就需要更多的能量.当速度趋近光速时,质量随着速度的增加而直线上升,速度无限接近光速时,质量趋向于无限大,需要无限多的能量.因此,任何物体的运动速度不可能达到光速,只有质量为零的粒子才可以以光速运动,如光子。

好了，总结下今天的内容，有几点。

1：狭义相对论中，运动是相对，时间和空间也是相对的。

2：我们生活在一个四维空间中，以光速在时空中运行。

3：光速是恒定的，任何物体的运动速度不可能超过光速。