光速和超光速，是我以往科普工作中無(wú)論如何都避免不了的問(wèn)題，也是很多伙伴們非常關(guān)心，熱衷于討論的問(wèn)題。

對(duì)于光速，目前有兩個(gè)共識(shí)：

第一，光在真空中的速度恒定為每秒30萬(wàn)公里。

第二，光速是宇宙萬(wàn)物的極限速度。

但是，如果對(duì)光速的認(rèn)知僅僅停留在以上兩個(gè)方面，顯然是不夠的。還有一個(gè)更大的問(wèn)題是：宇宙真的限制了速度的極限值為光速？

答案是否定的。事實(shí)上，宇宙并沒(méi)有限定光速為速度的極限值，對(duì)于大自然來(lái)講，它一點(diǎn)也不在乎速度是否超過(guò)光速。

這也說(shuō)明了一點(diǎn)：所謂的“光速限制”，其實(shí)背后有更深刻的含義，并不是字面意思表達(dá)出來(lái)的那樣。簡(jiǎn)單來(lái)講，宇宙中的速度極限為光速，這個(gè)速度其實(shí)就是“因果關(guān)系”的速度。

下面來(lái)具體分析一下光速與因果之間的關(guān)系。

在我們的現(xiàn)實(shí)生活中，因果關(guān)系非常很重要，它是所有人都認(rèn)同的唯一時(shí)間順序。但問(wèn)題就在于，因果關(guān)系為什么有一個(gè)極限速度，而且這個(gè)速度剛好等于光速呢？

要想弄清楚這個(gè)問(wèn)題，我們需要穿梭到幾百年前的世界，穿越到伽利略和牛頓時(shí)代。幾百年前，伽利略曾提出過(guò)一個(gè)著名的原理：相對(duì)性原理。

這個(gè)原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，在我們?nèi)粘Ｉ钪卸寄芨惺艿?，?jiǎn)單理解是這樣的：不管在宇宙中的任何地方，速度其實(shí)都沒(méi)有特別的形式。通俗理解就是：在慣性系，也就是靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)參照系中，物理定律都呈現(xiàn)相同形式，所有的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是相同的。

也就是說(shuō)，在慣性系中，任何實(shí)驗(yàn)都不能區(qū)分靜止還是運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)。

最簡(jiǎn)單的例子其實(shí)經(jīng)常出現(xiàn)在我們身邊。比如說(shuō)，火車做勻速直線運(yùn)動(dòng)，你在火車上，如果假設(shè)火車不會(huì)發(fā)出聲音，閉上眼睛的你根本無(wú)法感知到自己是在運(yùn)動(dòng)的火車上，你的感受與靜止在地面上的感受沒(méi)有任何區(qū)別。

伽利略相對(duì)性原理看起來(lái)很簡(jiǎn)單，很容易理解，但不要以我們?nèi)缃竦难酃饪吹綆装倌昵暗馁だ詴r(shí)代，在那個(gè)時(shí)代能提出相對(duì)性原理著實(shí)不簡(jiǎn)單。伽利略提出相對(duì)性原理足夠偉大，也很耀眼，以至于后來(lái)的牛頓也把相對(duì)論原理納入了他的力學(xué)體系當(dāng)中。

當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界對(duì)于光速的認(rèn)知并不像現(xiàn)在這么深入。在相對(duì)性原理和牛頓力學(xué)體系下，其實(shí)有一種暗示：光速是無(wú)限的。而光速無(wú)限意味著時(shí)間空間和物質(zhì)都將不復(fù)存在，顯然“光速無(wú)限”是有瑕疵的。

更重要的一點(diǎn)，牛頓之后另一位偉大的物理學(xué)家麥克斯韋，提出了麥克斯韋方程組，由此也引發(fā)了另一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題。

具體什么問(wèn)題呢？讓我們來(lái)舉例說(shuō)明。

假設(shè)有這么一匹會(huì)輪滑的小馬，還有一只會(huì)滑板的猴子。猴子在小馬的背上玩滑板，同時(shí)假設(shè)猴子是帶電的，而小馬在地面上玩輪滑。

我們都知道，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，那么猴子玩輪滑時(shí)自然會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

這個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度在我們看來(lái)有多強(qiáng)呢？根據(jù)麥克斯韋方程組就能計(jì)算出來(lái)，這個(gè)強(qiáng)度與我們觀測(cè)到的猴子的速度息息相關(guān)。

但猴子的速度到底是多少呢？

伽利略和牛頓的答案是：猴子速度等于小馬的速度加上猴子在馬背上的滑板速度。這個(gè)很好理解，就是相對(duì)速度的疊加。

但問(wèn)題來(lái)了，如果這匹小馬足夠聰明，聰明到也能運(yùn)用麥克斯韋方程組計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度，結(jié)果會(huì)怎么樣呢？

在小馬看來(lái)，猴子的速度只是滑板本身的運(yùn)動(dòng)速度，與我們觀測(cè)到的猴子速度并不一樣，所以小馬計(jì)算出來(lái)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與我們計(jì)算出來(lái)的強(qiáng)度不同。

那么，到底誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)呢？磁場(chǎng)強(qiáng)度到底應(yīng)該是多少呢？

如果被這種思維方式左右，結(jié)果只能是越陷越深，最終完全走進(jìn)死胡同。我們應(yīng)該明白，問(wèn)題的關(guān)鍵其實(shí)不在于我們觀測(cè)到的對(duì)象，而在于觀測(cè)對(duì)象產(chǎn)生的效應(yīng)！

也就是說(shuō)，我們測(cè)量的表面看起來(lái)是磁場(chǎng)本身，其實(shí)不是的，我們測(cè)量的是磁場(chǎng)產(chǎn)生的效應(yīng)，說(shuō)白了就是力。

結(jié)果就是：小馬測(cè)量到的力與我們測(cè)量到的力是一樣的，并不會(huì)產(chǎn)生任何矛盾的結(jié)果。

實(shí)際上這就意味著，在磁場(chǎng)和電場(chǎng)之間，一定存在一個(gè)與速度相關(guān)的轉(zhuǎn)換，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生了一個(gè)與參照系無(wú)關(guān)的力，也就是洛倫茲力。

同時(shí)，這個(gè)結(jié)果也告訴了我們：看似簡(jiǎn)單的電磁力，其實(shí)是速度與時(shí)間空間之間相互關(guān)系的重要線索。

那么，速度與時(shí)間和空間三者之間到底有什么聯(lián)系呢？

說(shuō)白了，就是通過(guò)一種特殊的變換來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種變換可以讓我們?cè)诓煌膮⒄障抵g來(lái)回跳躍，最典型的例子就是剛才所講的伽利略變換，也是很簡(jiǎn)單的變換，說(shuō)白了就是速度疊加，這個(gè)變換背后的本質(zhì)就是“時(shí)間和空間是絕對(duì)的”，時(shí)間和空間與速度沒(méi)有任何關(guān)系。

而牛頓力學(xué)體系就是以絕對(duì)時(shí)空觀為背景的。

當(dāng)我們把伽利略變換應(yīng)用到麥克斯韋方程組中，會(huì)發(fā)現(xiàn)我們根本無(wú)法得到結(jié)果一致的麥克斯韋方程組。也就是說(shuō)，在伽利略變換下，得到的結(jié)果竟然是會(huì)變化的。

只是在低速情況下，麥克斯韋方程組在伽利略變化下可以計(jì)算出正確的力值，但是得到的磁場(chǎng)和電場(chǎng)會(huì)很混亂。

而在高速情況下，結(jié)果就會(huì)誤差很大。

難道麥克斯韋方程組錯(cuò)了嗎？并不是的，是伽利略變換錯(cuò)了，或者說(shuō)“伽利略變換的適用范圍有限”。

我們需要用更具普適性的變換來(lái)代替伽利略變換，它就是洛倫茲變換，這個(gè)變換早在愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論之前就被發(fā)現(xiàn)了。

不過(guò)，愛(ài)因斯坦通過(guò)洛倫茲變換告訴世人時(shí)間和空間是如何交織在一起的，同時(shí)也預(yù)言了因果關(guān)系的速度。

我們可以通過(guò)預(yù)設(shè)光速為常數(shù)，來(lái)推導(dǎo)出洛倫茲變換。不過(guò)即便是我們暫時(shí)忘記光速，同樣可以理解洛倫茲變換。

還拿上面小馬與猴子的運(yùn)動(dòng)來(lái)舉例說(shuō)明。

假設(shè)我們不知道猴子的速度等于猴子滑板的速度加上小馬自身的速度，之所以做這樣的假設(shè)，就是為了突出“任何慣性系都不是優(yōu)先的”。物理定律在宇宙任何地方都具有相同形式，與小馬和猴子的運(yùn)動(dòng)速度，位置，方向都沒(méi)有關(guān)系。

說(shuō)白了，物理定律是普適的。

這一點(diǎn)很容易理解。想想看，地球自身在運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，而太陽(yáng)圍繞著銀河系運(yùn)行，無(wú)論是位置，速度方向都會(huì)有非常復(fù)雜的變化。

但不管怎么變化， 都不會(huì)對(duì)我們?cè)诘厍蛏系膶?shí)驗(yàn)結(jié)果有任何影響，甚至我們?cè)诨鹦腔蛘咝乔蛏系膶?shí)驗(yàn)結(jié)果也是相同的。

這也就意味著，我們當(dāng)然可以在不同的參照系之間進(jìn)行一致的變換，通過(guò)使用不同的速度，完全可以利用這種變換進(jìn)入到小馬和猴子的參照系。

當(dāng)然我們也可以在不同的參照系中來(lái)回跳躍，然后只需要在速度前面加上一個(gè)負(fù)號(hào)，就可以退回到我們自己的參照系。最后，再利用一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，就可以得到洛倫茲變換，整個(gè)過(guò)程并不復(fù)雜。

而洛倫茲變換，是目前為止唯一能滿足宇宙對(duì)稱性，自洽性和相對(duì)性的變換，當(dāng)然能描述我們的現(xiàn)實(shí)世界。

通過(guò)洛倫茲變換可以看出，變換中存在一個(gè)參數(shù)c，而通過(guò)這個(gè)參數(shù)就可以預(yù)測(cè)宇宙的速度極限。

而一開(kāi)始提到的伽利略變換，其實(shí)只是常數(shù)c無(wú)窮大時(shí)的一個(gè)特例罷了。從洛倫茲變換公式中可以看出，當(dāng)c趨于無(wú)窮大時(shí)，公式就簡(jiǎn)化為伽利略變換。

其實(shí)，單單從相對(duì)性和對(duì)稱性層面來(lái)講，c是可以無(wú)窮大的，但從其他層面來(lái)講，即便我們不考慮光本身，c也不可能是無(wú)窮大的，它必須具有特定值，而且這個(gè)數(shù)值必須也是麥克斯韋方程組中基本常數(shù)的一個(gè)組合。

也就是說(shuō)，為了使麥克斯韋方程組成立，宇宙的最大速度就必須是有限的。

而宇宙的這個(gè)極限速度常數(shù)，也正好是電磁波傳播的速度，也就是光速，c正好就是光速，這并非是巧合，而是必然。

不過(guò)這個(gè)常數(shù)c在一開(kāi)始其實(shí)就是因果關(guān)系的速度，也是宇宙中任何兩點(diǎn)之間信息傳播的最大速度。也正因?yàn)槿绱?，也預(yù)示著常數(shù)c是任何無(wú)質(zhì)量粒子的唯一運(yùn)動(dòng)速度。

光子，膠子還有引力波都沒(méi)有質(zhì)量，所以它們的速度就是光速，必須以光速飛行，而且一出生就是光速，沒(méi)有任何加速過(guò)程。

說(shuō)白了，質(zhì)量對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度來(lái)講，完全就是累贅。沒(méi)有質(zhì)量，就意味著沒(méi)有了任何累贅，完全可以盡情地飛行，以最快速度飛行，這個(gè)速度就是光速。

這也表明了一點(diǎn)，正是因?yàn)闀r(shí)間，空間和質(zhì)量的存在，讓導(dǎo)致了我們的宇宙速度極限必定是收斂的，而不是無(wú)限的。

而洛倫茲變換其實(shí)也是愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論公式的基礎(chǔ)之一，比如說(shuō)時(shí)間膨脹公式，尺縮效應(yīng)公式，還有質(zhì)能公式等等。

一旦我們理解了洛倫茲變換對(duì)于時(shí)間和空間關(guān)系的描述，其實(shí)這些公式自然就會(huì)出現(xiàn)了。

還有一個(gè)問(wèn)題，如果宇宙中不存在極限速度，常數(shù)c是無(wú)窮大，結(jié)果會(huì)怎么樣呢？

所有的物質(zhì)將不復(fù)存在，結(jié)果就是我們的宇宙也就不會(huì)出現(xiàn)。為什么？因?yàn)闊o(wú)窮大意味著需要無(wú)窮的能量才能度量質(zhì)量，才能出現(xiàn)有質(zhì)量的物質(zhì)。

同時(shí)也意味著我們的宇宙中（假設(shè)存在）充滿了各種無(wú)質(zhì)量的粒子，它們以無(wú)限的速度飛行，時(shí)間膨脹效應(yīng)和尺縮效應(yīng)達(dá)到了極致。

結(jié)果就是：時(shí)間和空間概念也不復(fù)存在，當(dāng)然也沒(méi)有了因果關(guān)系，宇宙中存在的只有“此時(shí)此刻”，只有“現(xiàn)在”，沒(méi)有過(guò)去和未來(lái)。

而這樣的宇宙最終將會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)無(wú)窮小的量，這是相當(dāng)矛盾的情形。而這種矛盾也告訴我們：無(wú)限速度是不可能存在的，宇宙必須存在一個(gè)速度極限。