宇宙中存在著一些違背直覺的現象，無法建立合理的物理定律

我們能超越光速嗎？

答案很明確——不能。

任何速度都無法超越真空中的光速

物理學裡有很多東西，目前不是很確定，但是有一點沒有疑問，在宇宙裡任何東西包括宇宙飛船和光本身，它們的速度都沒法超越真空中的光速，也就是每秒30萬公裡，當然這個數字不是特別的精確，比較一下，世界上跑得最快的人全力衝刺大概是每秒10米，行駛的機動車最快能達到340米每秒，太空飛船在地球軌道上的速度大概是8千米每秒，這只是真空光速的0.0025%。

在日常生活裡無論如何也沒法接近速度的極限，但無論如何這個極限是存在的，這是一條沒法打破的規律，一個恆久的提示，儘管宇宙充滿了稀奇古怪的事，但有些事的確無法做到，這個速度的極限是真實存在的，這點沒有疑問，描述這極限的理論也就是愛因斯坦的相對論，已經在非常高的精確度上得到了反覆的驗證，光速不可能超越作為一條原理，已經滲透進了現代物理的很多細節裡，如果這個極限並不屬實，肯定早就察覺到了，因為光速極限它不僅僅是一個現象，而是作為一個理論的基礎和很多其他複雜的理論以及實驗的結果交織和嵌套到一起，如果這個結果出了問題，那麼其他的理論包括一些實驗的結果也一定會出問題，而在非常高的精確度上並沒有看到其他的問題，所以無論如何都不可能超越真空中的光速，這個是宇宙的一個奇特之處，這個速度極限會引出各種奇怪的結果，它不僅會妨礙宇宙中不同位置人的溝通，還會讓人們對事情發生的先後順序達不到一致的結果，而且雖然這個速度極限已經在現代物理中打下了深刻的烙印，但是還是有一些相關的謎團困擾著物理學家，比如說這個速度極限到底是怎麼來的呢？為什麼它是每秒30萬公裡呢？為什麼它不是40萬公裡或者不是3米每秒呢？這個上限會不會變化呢？今天就來聊聊這個宇宙中特別大的謎團之一。

愛因斯坦在相對論裡引入宇宙最大速度這個概念可不是憑空說說的，為什麼宇宙應該有速度極限呢？為什麼不能隨便跳上一枚火箭點火起飛，然後一路不停的加速，以瘋狂的速度穿過星系呢？如果宇宙空間是空的，那到底是什麼在阻攔飛行的速度呢？

時空構造的漸進的極限

在直覺上我們認為宇宙空間空空如也，所以在宇宙中行進的人應該可以不斷加速，但這種認知正是問題的所在，空間並不是一個空空的舞臺，空間它是一個東西它會彎曲，它會拉伸也會產生漣漪，事實上正是宇宙的速度極限給了物理學家一個啟示，他們認識到空間並不是完全空無一物的，如果你能換個角度看待空間，不把它看成「空」而是一個東西，這樣任何其他的東西在這個東西裡有速度極限，那麼關於這個速度的極限我們知道什麼呢。

首先宇宙不會直接阻止物體加速，就算試圖超過光速也不會突然撞到其它物體上，飛船引擎也不會突然爆炸，如果有一艘太空飛船，那麼把油門踩到底之後會發生這樣的事，太空飛船會花非常長的時間才能接近光速，其實太空飛船有10個「G」，也就是通過10倍的引力得到了大約100米每平方秒的加速度，達到了頂級戰鬥機飛行員能承受的最大限度，太空飛船也需要花費幾個月的時間才能接近30萬公裡每秒，在加速的期間坐在太空飛船的駕駛員會被擠在椅背上動彈不得，加速了很長時間以後遇到的怪異事情是太空飛船不會飛得比光速更快。事情就是這樣，這裡沒有什麼戲劇性的變化，太空飛船就是永遠也達不到光速，太空飛船的速度會越來越快，在某個時刻太空飛船加速變得越來越困難，無論太空飛船多使勁加速，無論加速多久太空飛船也永遠達不到或者超過30萬公裡每秒。

在數學上有極限這麼一個概念可以幫助你理解，想像一下1+1/2+1/4+1/8......這樣無窮無盡的加下去，最終會得到一個什麼樣的數呢？如果你沒有學過數學中的極限，你可能會想當然的說，既然是無窮無盡的加下去，那最後肯定是能得到無限大，但事實卻不是這樣的，1+1/2+1/4+1/8......這樣無窮無盡的加下去，最終的結果會無限接近於1，但是永遠也達不到1。那麼在宇宙飛船中不停地加速面對的就是這麼樣一個情況，太空飛船會不停地接近光速，但是永遠也達不到光速。

宇宙有一個速度極限這件事細想想還真的挺奇怪的，想像一下，即便沒有任何力施加在你身上，也會有什麼東西阻止你跑得更快，這個是一個嵌入時空構造的漸進的極限，當你走在馬路上或者開車趕路的時候，其實它也在起作用，這種效應在速度比較低的時候其實是同樣存在的，雖然在低速的時候它很不明顯幾乎可以完全忽略，但是它確實存在，這意味著相對論並不僅僅在接近光速的時候生效，它其實一直在妨礙你的運動，如果想超越光速，時空本身就會彎曲，宇宙的速度上限不是一個簡單的界限，它就好像是以一種扭曲的方式在起作用，它是時空性質的一部分。

舉例說明：

這就好像在常規的狀態下水在降至0度的時候會結冰，這個是水本身的一個屬性，如果非想要拿到一碗-400℃的水，這是不可能拿到的，這個是水的固有特性，反過來說，當要超越光速的時候，就一定要說在什麼地方超越光速是在我們這個宇宙的空間裡嗎？那不好意思，我們這個宇宙的空間呈現給你的一個基本屬性，就是它內部不允許超越光速，如果你非要一團內部允許超過光速的空間，這個宇宙是不能提供給你的。

速度極限會對我們的宇宙觀產生深遠的影響

當然了，30萬公裡每秒的速度極限不會真的影響我們的日常生活，但是它會對我們的宇宙觀產生深遠的影響，我們曾經堅信時間也就是事件發生的順序對每個地方每個人來說都是一樣的，可是當我們知道光速極限之後，就必須放棄這個觀念了，講道理的人都會認為已經發生的事當然就發生過了，在能夠給出證據的時候，我們通常可以就一件事是否發生了得出一致的結論，但是這個宇宙其實不是這樣的，對不同的人來說，事件發生的順序可能完全不一樣，這一切都歸因於宇宙速度的極限。為了真正理解宇宙中的速度極限，為什麼能引發這麼奇怪的事，我們可以想像這樣一種情況：一隻宇航貓，一個太空人，你

現在假設這隻宇航貓穿戴著的太空衣配有兩個電筒，電筒的光分別指向它的兩側，而且同時打開，我們思考一個非常簡單的問題，手電筒發出的光子飛得有多快呢，當然很簡單了，答案就是光速C，每個光子將向不同的方向以光速發出去，這隻宇航貓測量這些光子相對地面的運動，這些光子的速度當然就是光速了，到這還沒有任何爭議，接下來呢，我們稍微開一點腦洞，假設宇航貓站在地球上，並且隨之在宇宙空間中飛速運動。

你沒有在地球上，而是漂浮在宇宙的空間裡，看著地球在你眼前向右行進，地球上面載著宇航貓，而宇航貓正拿著兩支光子發射器，也就是手電筒，所以你會看到地球以速度V向右移動，那麼在你的視角，你看到的兩束光子是以光速相對於航貓站的運動，而你正在看著它從你眼前經過，那你的直覺會讓你把兩個速度相加，這個右側的光子的速度應該C，也就是光速加上V，這個V就是地球移動的速度，而左側光子的速度應該是C減去V，但是如果C是光速，那是否意味著你將看到一束光子飛得比光還快，而另一束光子比光速還慢呢？

不會的，那是不可能的，沒有什麼東西能比光速還快，連光本身都不能，所以到底發生了什麼呢？你先想想，和地球以相同方向運動的光子，也就是右邊的那束光直覺告訴你，這個光子應該運動的比光速還快，但是光速是不可以超越的，事實上你還是會看到這邊的光子以光速發射出去，這之所以奇怪，因為宇航貓也會看到光子以光速離開它，儘管你和宇航貓的速度是不一樣的，那這個豈不是很違背邏輯和道理嗎？

其實啊，真正被顛覆的是我們的預期，我們以為所有人看到的東西都一樣，我們沒法迴避這個事實，這個奇怪的宇宙中存在著一些反直覺的現象，向左運動的光子也很奇怪，你大概會以為這些光子會比光速慢，也就是C減去V，因為這些光子從地球上發出去，而地球在向右運動，但是像光子這樣沒有質量的粒子，有另外一個奇怪的特性，在真空中它們總是以宇宙所允許的最大速度運動，永遠也不會慢下來，所以光總是以光速運動，無論是誰來測量，也不管測量者運動的有多快，這意味著當你飄在太空中，看著地球從身邊飛過的時候，你將看到那兩束光子已相對你分毫不差的光速運動，而在地球上的宇航貓也將看到兩束光子，相對它以光速運動。

那麼關於宇宙的速度極限，還有一件讓人興奮的是，它是對物體之間的相對速度有效，而不是對絕對速度有效，這是因為在宇宙中根本不存在什麼絕對速度，你大概認為漂浮在太空裡是一個很特別的情況，因此你有權判定運動速度的快慢，但是實際上你和地球也在相對於某些東西，比如說太陽或者是銀河系的中心，或者是我們所在的星系團的中心，你在相對這些東西運動，即使真的存在這麼一個宇宙中心，其實並沒有，又有誰知道你相對於它的真實速度是多少呢，絕對速度其實沒有什麼意義，宇宙的速度極限說明任何東西在任何眼中不會比光速快，這個就是事情的奇怪之處。

光子擊中靶子測試

從這裡出發後面的事情就會越來越奇怪，回到我們剛才的例子裡，宇航貓相對於你在運動，但是你和宇航貓都會看到光以同樣的速度從手電筒發出去，這已經很奇怪了，假設宇航貓的兩邊各有一個靶子，那麼哪只手電筒發出的光子會先擊中靶子呢？

宇航貓看到它發出去的光子，在以各自的方向以相同的速度運動，而且兩個靶子和它的距離都相等，因此如果你問它這個問題，那麼它會說那些光子同時擊中了靶子，但是你看到的不一樣，你看到的兩束光子是以相對於你的光速離開手電筒，但是你同時也看到宇航貓還有地球上的靶子在一起運動，所以當光子向各自的靶子飛過去的時候，你會看到其中一個靶子，它是向著光子運動的，而另外一個靶子正在向遠離光子的方向運動，結果就是你將會看到一側的光子，也就是左邊的那個比另外一側的光子先集中了靶子，換句話說，你和宇航貓看到了事件完全不同的結果，它看到光子同時擊中兩個靶子，而你看到了光子先擊中其中一個靶子，神奇的是你們兩個還都是對的，這裡我們只說了兩個主體，如果再加進一個角色了，事情還會更奇怪。

比如此時你和宇航貓正在感受宇宙的神奇，一艘宇宙飛船飛過地球，它返回的方向和地球相對於你的方向是一樣的，也就是都向右運動，但是它的速度比地球還快，所以當宇宙飛船從它的飛船窗向外看的時候，它會看到宇航貓和地球隨著它的飛船向左運動，那麼在宇宙飛船的眼裡，宇航貓的光子同樣是以光速運動的，因為它也必須遵循宇宙的速度極限，但是看到地球向左運動的它會說右邊的光子先進入了靶子。

現在我們就得到了三個互相衝突的報告：

1.宇航貓看到光子同時擊中靶子。

2.你看到左邊的靶子先被擊中。

3.宇宙飛船看到右面的靶子先被擊中。

而你們全都是對的，我們不僅要接受宇宙的速度上限，還要放棄舊的觀點，我們不能再認為任何地方的任何人而言事情都是同時發生的，我們甚至不能再假設自己能夠對宇宙中發生的事情進行統一的描述，儘管這貌似非常的合理，一切都取決於你問的是哪個人，他以什麼速度在運動，而這裡說的速度都不是絕對速度，而是相對速度。所有這些都應該是你立刻警惕起來，這意味著在宇宙中的世界沒有絕對的先後，兩個誠實的人會對發生的事情進行各不相同，但是同樣正確的描述，從另一個角度來想，通過以不同的速度運動，你可以改變事件的順序，因為你、宇航貓和宇宙飛船都在以不同的速度運動，所以你們看到了同一件事以不同的順序發生，這個違背了直覺，因為我們更喜歡想像宇宙有一個統一的歷史，所有的事都有明確的先後次序，在我們的宇宙中這是不可能的，同時的時間和同時性的概念其實都不存在，這就是光對每個人以相同速度運動的結果，這歸根結底是因為宇宙存在最大的速度極限。

能不能重新排列事件的順序呢？

目前最超前的觀測者是宇宙飛船，它看到右邊的光子先擊中了靶子，那我們可以開一下腦洞，如果宇宙飛船真的突破了宇宙的速度極限，那會發生什麼事呢？

隨著宇宙飛船的速度越來越快，在它眼中光子從離開手電筒到擊中靶子的時間會越來越短，實際上在某個時刻，如果它的速度夠快，它就會看到光子在離開手電筒之前就已經擊中靶子了，但是這肯定講不通，因為這個違背因果律，我們都知道結果是由原因引起的，而不是反過來，在一個沒有因果律的宇宙裡生活將變得特別瘋狂，從這一點我們就能得出結論，沒有什麼東西能跑得比光還快，因為那將破壞因果律，打破因果律那可不是一件小事兒。

速度極限能從什麼原理方法推出這個速度極限呢？

其實簡單的答案是這樣的，我們沒有什麼確鑿的證據證明宇宙一定有速度極限，但是我們有一個非常好的藉口，為了讓宇宙有局部的因果可言，速度極限有必要存在，剛才上面的例子裡你也看到了，如果我們不給速度設置上限的話，那因果率就出現問題了，那麼光速有極限和因果率必須存在這兩件事誰更重要呢，當然是因果律更重要，它的存在似乎是宇宙中一個合理的必要條件，剛才說的是局部因果律。

所謂局部，指的是能夠影響事物的數量，受限於附近的事物的數量，如果宇宙中沒有速度極限，那麼任何地方發生的事都可能立刻影響到你，而在我們真實的宇宙裡，只有你周圍的事物會馬上和你有因果關係，即便現在太陽就爆炸了，我們也需要8分鐘之後才會知道，在這8分鐘裡沒有任何人能以任何方式知道太陽出事了，說到這我們認為宇宙存在最大的速度是有道理的，這樣宇宙有局部和因果可言，但是一個問題的答案會引出另一個更深的問題，那為什麼宇宙要有前因後果呢？

我們當然覺得有前因後果的宇宙是合理的，但是我們不能說宇宙就是為了讓人腦覺得合理才特地設計成這樣的，討論宇宙為什麼有前因後果其實已經非常困難了，更不要說得到一個讓人滿意的答案了，因果律已經深深植入了我們的思維模式，我們不可能簡單的跳出去，然後考慮一個沒有它的宇宙，我們沒法用邏輯和推理來考慮沒有邏輯的宇宙，而且科學本身它就是建立在因果律和邏輯之上的。因果律和邏輯，其實它們是科學之外的基礎，所以這個問題可能根本沒法用科學回答，或許我們永遠也沒法解答它。

宇宙的速度極限為什麼是這個數值

目前沒有哪個理論給出答案，一個基於因果率，但光速更快的宇宙，它的局域性會減弱，而一個基於因果律，但是光速比較慢的宇宙會有更強的局域性，但是那樣的宇宙按理來說也不是不能存在，在物理學裡光速的值沒有道理一定必須是某一個數字，也許只是恰好測到了30萬公裡每秒，這個數值對我們來說非常快，但是對於星際旅行來說又顯得太慢了。

目前我們不知道速度極限為什麼是這個數值，但是我們也可以進行一些猜測，也許這個就是唯一可能的值，這個光速隱藏著和時空有關的宇宙本質，比如如果時空真的是量子化的，那麼也許光速就源自於時空相鄰節點的信息傳遞方式，「吉他弦」的粗細和拉緊的程度決定了波沿著弦傳播的速度，而光速的情況可能也與之相似，也許某一天我們會發現，時空的統一理論從中找到光和信息以特定速度傳播的原因，由此就能解答所有的問題。

還有另外一種可能就是光速的數值只是0和無窮大之間的正數，沒有特定的值，光速為0對應著沒有相互作用的宇宙，而光速無窮大就對應著非局部的宇宙，如果宇宙的速度極限可以是任意正數，那為什麼是這個呢？

答案——我們還不知道，也許這個光速不是普適的，它只在我們這部分宇宙有效是由宇宙大爆炸結束之後時空凝結的方式造成的，或許在宇宙的不同區域光速由隨機的量子力學過程決定，也就是說宇宙的其他部分有著完全不同的光速值。

既然我們不清楚光速為什麼是現在這個樣子，那我們怎麼知道它將來會不會變化呢？我們又怎麼知道它以前是不是和現在一樣的？

我們不能通過穿越時空來驗證事實，但是宇宙已經給了我們一間漂亮的古代天文博物館，也就是夜空，當我們展望夜空的時候，我們看到的不是正在發生的事，而是過去發生的事，一個物體離的越遠，它的光就要花越長的時間來到我們這裡，我們看到的它也就越古老，通過觀察離我們更遠的物體我們能夠探索過去，在觀察天體繞行碰撞和爆發的時候，天文學家發現遙遠的星系並沒有突破宇宙速度極限的跡象，這個說的是過去，而反過來，正確預言未來是非常困難的，我們可以基於138億年的歷史大膽預測未來這個看來可靠，但是隱含了一個前提，那就是宇宙在過去和將來一直會以同樣的方式運轉，這一點其實純粹是個假設。

我們知道宇宙在過去曾經有過截然不同的好幾個時期，比如說大爆炸之前的時期，大爆炸暴脹的時期以及當前我們所在的膨脹時期，我們哪裡有信心說宇宙未來不會改變的，但是正如我們前面說的邏輯是科學的基礎一樣，相信宇宙未來還是以這樣的狀態運行也是一個科學的基本信念，那如果我們非要說宇宙明天就可能不是這個樣子了，光速會變、空間的性質也會變，那我們的科學就無從談起了。

光速旅行

光速旅行是一個引人入勝的可能性，這是因為人類有探索宇宙的願望，登陸未知的星球，訪問遙遠的恆星，甚至和外星人會一次面，沒有人會拒絕這種機會，如果你也想跳上一艘宇宙飛船去訪問其他的星系，那宇宙有速度極限這件事會讓你非常的傷心，畢竟最近的恆星離太陽系也有4.22億光年那麼遠（比鄰星）。

但是我們也許問錯了問題，與其問我們能跑得比光還快嗎？不如問我們能在一個合乎情理的時間範圍內飛到遙遠的恆星上去嗎？這兩個問題其實不是等價的，光速是你在空間中飛行的最快速度，但是我們前面講了空間並不是一個抽象的背景幕布，它是一個動態的物質，它本身是可以膨脹和收縮的，那麼關鍵就來了，如果能擠壓我們和遙遠星球之間的空間，我們就可以在合理的時間內到達那裡，而不需要在太空中飛得特別快，那這一點能夠實現嗎？這個想法也許還挺靠譜，我們還不太了解時空的本質，但是我們知道它能夠被扭曲或者壓縮，遺憾的是，這樣做需要巨大的能量，要達到通過壓縮空間飛往遠處的宇宙飛船，這個目的會消耗大的不切實際的能量。

另外呢，還有一種縮短旅途的方法就是利用「蟲洞」，在合適的環境裡，宇宙兩處距離非常遠的地方可以由一個蟲洞連接，這樣一來就可以通過它從這走到那裡，在科幻小說裡人們穿越蟲洞的時候，總會看到瘋狂閃動的光線，聽到巨大的沉悶的響聲，事實上沒有人知道穿越蟲洞是怎樣的過程，也許它和穿過一道門沒有什麼太大的區別，的確，如果空間不止三圍，那麼有些地方也許只在三維空間裡非常遙遠，但是在其他維度裡卻是相鄰的。

舉例說明：

你可以想像一下啊，如果宇宙的空間像是一卷捲起來的衛生紙，那麼空間就是一層疊著一層的，沿著這張紙覺得很遠，但是如果有一個蟲洞能夠貫穿這卷衛生紙，那麼在層和層之間本來很遙遠的距離，就能一下子變得非常的近。

這個聽起來或許有些異想天開，但是實際上不和當前的任何物理定律起衝突，遺憾的是，至今所有的計算都指向了蟲洞的不穩定性。它們可能會在瞬間坍縮，換句話說，即便哪一天我們發現了一個蟲洞，在我們趕到那之前，它很可能就已經消失了，另外呢，因為我們不是超然於這卷衛生紙之外，而是生活在紙片上面，所以我們不知道如何建成蟲洞，更不知道它們會通向哪裡。

壓縮空間或者穿越蟲洞是極大的挑戰，但是我們依然可以鼓起勇氣，物理學家把星際旅行從完全不可能變成了很難而且很貴，其實這已經是進步了，對於遙遠未來的技術發展預言可能白打正著也可能變成笑話，所以不會給出任何預言，但人類從古到今的足跡似乎暗示了前方的技術奇蹟，而且既然沒有什麼基本的物理法則限制星際旅行，那我們還是可以期待這件事的。

黃姤結語·自然法則

物理學對極小的東西是非常謹慎的，自然法則在特別小的空間的地方似乎總是有一些漏洞，如果你是一個關於自然法則的律師，有律師的眼光重讀那些法則，大概會注意到素，速度極限是說真空中的光速，那這裡為什麼要說真空中呢？

因為光速的大小取決於它的傳播介質，像在空氣中、玻璃中，水中光速都是小於真空中的光速的，正是因為光子需要花時間與這些介質裡的粒子相互作用，所以它的整體速度會降低，因此如果你問光的速度能不能超越的，那麼答案沒準是可以，這裡說的超越並不是說超過每秒30萬公裡這個數字，而是說在某些介質裡粒子可以比光子更快，儘管這個速度永遠不會高於真空中的光速，比如說一個高能的繆子就可以比光子更快的穿過一塊「冰塊」。嚴格的來講，這確實是比光還快的運動，高能的繆子就是有這樣一個特性，它在任何介質裡都可以接近光速來旅行，這個就會引發一個特別有趣的現象。

想像一下，當一艘船在湖面上開的比它產生的水波還快的時候，那些波就疊加到一起，產生了一個爆炸性的尾氣，如果一架飛機飛得比聲速還快，那它就會產生「音爆」，而當一個繆子以比光還快的速度穿過一塊冰的時候會發生「光爆」，這也被稱為—— 契倫科夫輻射。

圖解：音爆雲

物理學家就經常用這種爆炸所產生的暗淡的藍色光環探測這種粒子，並且測量它們的速度，換句話說，如果整個宇宙或者我們在一個宇宙的局部塞滿了冰塊，那麼從技術上講，你是有可能比光跑得更快的，當然這裡我們並不是超越了真空中的光速，而是通過把光降速來達到這個目的。

提起光速，就經常會引發一些議論，比如就經常會有人問，現在我們測到的光速是這樣的，你怎麼就能確定未來隨著技術的提升，我們就是不能超越光速呢，其實要把這個問題說清楚還真的不容易，它涉及到了光這個東西的本質，它本身並不是像一顆子彈一樣從這飛到那去的一個東西，所以關於它的速度的測量也根本不是我們想像中那樣簡單的距離除以時間，光速是不可超越的，知道了這點就夠了。

我叫【黃姤】，創作有關（天體生物學領域.太空生物學領域.科學.科技.科研.科普）的文章，歡迎點讚.評論.轉發.關注互相學習。