“光速不变”是什么意思，是什么限制了超光速现象？

大家应该在日常生活中应该都听到过这样一句话“光速在真空中是恒定的”，但是如果对爱因斯坦的相对论没有了解的话，就会产生很多误解。

比如在回答问题时总能遇到以下几种问法：

• 把激光灯对着天空，激光的另一端的线速度不就超光速了？
• 如果有一根30万公里的棍子，从另一端推一下，岂不是就超光速了？
• 把打开着的手电筒扔出去，手电筒发出的光是不是就超光速了？

其实，速度的极限并不是光速，而现在，我们已经发现了宇宙中确实存在超光速现象：宇宙膨胀的速度，量子纠缠效应等。那么，但为什么这些现象没有和相对论产生矛盾呢？狭义相对论到底限制的是什么？

狭义相对论的两大基本假设。

首先了解一下光速是怎么来的。

19世纪，有一位伟大的物理学家麦克斯韦，他最大的功绩就将电和磁进行了统一，并总结出了四条电磁方程，在真空中对四条方程求解，可以得到一条微分方程。

可以看出这个形式的方程就是波方程，通过代换，可以得到电磁波在真空中的速度，这个速度和当时人们测量出来的光速是一样的，这也间接证明了的光也是电磁波的一种。

一般来讲，速度都是相对的，需要选定参考系。那么真空中光速是相对于什么而言的？首先人们很自然的就想到了真空里的介质，光速相对于真空中的介质，速度为c，并把这个介质aether（以太）当成宇宙中绝对静止的参考系。

这就产生了一个问题：地球以每秒钟30千米的速度公转，那么必然会受到每秒30公里的“以太风”，然后对光速产生影响，接着迈克尔逊和莫雷就做了一个实验，为了测量出地球通过以太的速度。

而实验表明：不管是射出光线和地球运动方向相同还是相反，测出来的光速都相同，也就是地球和它们设想的以太介质之间并没有相对运动。

这时爱因斯坦就表示：以太是根本不存在的，光速相对于任何参考系都是不变的。

我们知道：在一个相对静止的参考系中，物理现象是不变的。举个例子：人在地面跳一下和在运动的火车里面跳一下，都还是会落到原地，就是因为人相对于脚下的地方是静止的。然后爱因斯坦把它称作狭义相对性原理。

鉴于此，爱因斯坦就表示：以太是根本不存在的，光速相对于任何惯性参考系都是不变的。于是光速不变原理和狭义相对性原理就成了狭义相对论的俩大基本假设。

以太学说被推翻了，文章开头的问题就可以这样理解了：光速不需要一个绝对的参考系，也就是说：无论是把手电筒扔出去，还是站在原地不动，光速都是一样的。

基于两大假设，狭义相对论中又提出以下几个理论。

• 质增效应：意思就是说，对于一个有质量的物体，它的速度不可能等于或大于光速，因为在它加速的过程，越接近光速，质量就会越重。当达到99.9%的光速的时候，物体质量也会增加到无穷大，再想加速，就需要无穷大的能量。而无穷大的能量在宇宙中是不存在的。

• 时间膨胀（钟慢效应）：物体运动的时候，它发生的一切变化，从参照系的角度来看都会变慢，这就是时间膨胀。举个简单的例子：匀速运动的人身上的时钟，用静止的观察者的时钟去测量，不管运动方向如何，运动中的钟都会随着运动速度增加而变慢。

因果律的限制：能量和信息传递速度的上限。

这里的因果关系和我们平时在生活中所说的其实是一样的：就是先有因后有果，在时间尺度上，结果的发生应该晚于原因。之所以说是定律，是因为这因果关系对我们来说，最熟悉不过了，更不会人会去质疑它。

而信息就是用来把原因和结果联系到一起。如果在一个参考系中，信息的传递超过光速，就可能出现某个观察者先看到结果，之后才看到原因，这就违背了因果律。

我们可以想象这样一个场景：开枪和击中目标物体，假设子弹的飞行速度超过光速，再让这两个物体之间的距离，除以前因后果发生的时间差，然后就会发现结果是大于光速的。

这就意味着，对于一位旁观者来说，他会先看到子弹击中目标，然后才看到开枪然后子弹飞行的过程。这就违背了因果关系。

这里还要再提一下，世界线的概念。举个例子：地球绕太阳的运行轨道是一个封闭的圆，每年都会经过同一个点，而在四维时空中，因为加入了时间，经过每年都经过同一个点，但经过的时间一直在变化，所以地球的世界线会呈现像弹簧一样的螺旋式，而并不会形成闭合的曲线。

而一旦违背了因果律，相对论也会受到影响，地球的世界线就会绕回到原点甚至出现交叉的时空曲线，这就意味着，我们可能回到过去，甚至进行时间旅行。

所以超光速的运动会违背因果律，毕竟在这个世界上，不可能有绝对同时发生的两件事情。

这样我们就能完美的解释超光速现象了，宇宙膨胀的速度远大于光速，但是空间本身的膨胀是不携带信息的，量子纠缠效应也是。光速不可超越，具有一定的前提，超光速也并非不存在。

最后我们来总结一下。

• 光速不变说的是：光在任何参考系下的速度都是常数c。
• 狭义相对论和因果律不允许信息的传递速度超光速。
• 超光速现象之所以存在，是因为它们没有违背狭义相对论的前提条件。