深度長文：爲什麼光速不可超越？（近5000字，建議收藏）
我們都知道，宇宙存在光速限制，任何物體的速度都不可能超過光速。但是不知道你有沒有深入思考過，爲什麼光速不能被超越呢？
簡單來講，光速限制是愛因斯坦的相對論中的一個基本原理，也可以理解爲是一種前提，如果物體的運動速度超過了光速，意味着相對論就是錯誤的，就被推翻了。但是相對論歷經一百多年仍舊屹立不倒，說明這個基本前提是靠譜的。
不過，我也知道，這種解釋簡直太小兒科了，而且邏輯上似乎有些問題。看起來好像是以“相對論是正確的”爲前提倒推出來光速是不可超越的，似乎有點霸道不講理，當然不能讓所有人心服口服。
給人的感覺好像是這樣：如果光速被超越了，相對論就錯了。所以爲了保證相對論是正確的，光速就一定不能被超越。
那麼接下來就讓我們一起來走進相對論和光速的世界，爲何說光速是不可超越的。
相對論誕生的基礎就是對時間和空間的顛覆性認知。在我們的傳統思維裡，時間就是時間，時間與空間沒有任何關係。通俗來講就是時間和空間都是絕對的，兩者毫無關係，這也是牛頓經典力學體系下的絕對時空觀。
但是到了愛因斯坦這裡，就完全不一樣了，他提出了相對時空觀，任何時間和空間不僅僅是相對的，而且兩者是有機的整體，是不可分割的。任何把時間和空間分開討論的行爲，其實都是沒有意義的。
也就是說，時間和空間不能單獨存在，兩者必須同時存在。時間和加上三維空間就組成了我們所在的四維時空。
舉個通俗的例子就明白時間和空間爲何必須同時存在了。
你計劃明天與心愛的女孩約會，讓關係更進一步。你肯定會提前告訴女孩約會時間和地點，也就是時間和空間。如果你只告訴女孩“明天上午10點約會”，而沒有告訴她地點（也就是空間），這樣的約會就沒有任何意義。反之也是一樣，如果你只告訴她約會地點，而沒有時間，同樣沒有意義。
但對於很多人來講，單獨理解時間或空間都不是什麼難事，但是對於“時空”的概念總是充滿了各種疑惑，很難想象出時空到底是什麼模樣。
事實上，很多人正是卡在了對“時空”的理解上，沒有理解相對論體系下的時空到底是什麼概念，所以無法真正理解相對論的精髓，以至於本能地排斥相對論。
如何理解時空的概念呢？簡單來講就是，宇宙萬物時刻在時空中運動，而不是在時間或者空間中運動，因爲時間和空間是不可分割的，你不可能逃離時間然後在空間裡運動。
這點看起來很容易，但要想真正理解其中的含義卻並不簡單。
我們平時所說的速度只是都是指空間的速度，其實是不嚴謹的，甚至嚴格來講是沒有意義的。但爲什麼我們還會這樣說呢？
拿我們平時的跑步來舉例說明。比如說，你百米速度是15秒，也就是每秒大約不到7米。這個速度通常指水平方向的速度，因爲我們都會選擇在地面上奔跑。
實際上，空間有三個維度，通俗來講就是“長寬高”，日常生活中任何物體的速度都是這三個維度的速度疊加之後合成的，這一點很好理解，初中數學水平就能理解。
用物理學術語來描述就是：物體在空間裡的速度就是在三個維度運動的合成速度。最終的速度可大可小，比如說你奔跑的速度是每秒7米，高鐵的速度能達到每秒100米，這種速度有大有小的現象太常見了，我們也絲毫不會在意，因爲這就是我們的日常生活經驗：宇宙事物有千千萬，不可能都保持同樣的速度，就像是不可能每個人同樣富裕一樣，總會有窮人和富人之分，即便是都是富人，也會有等級之分。
看到這裡，愛因斯坦有話要說了：NO，你們都錯了，宇宙萬物的運動速度都是一樣的，不僅僅都是一樣的，而且都是以光速運動！
看到這裡，你可能會一臉懵逼，甚至想罵街：你瘋了吧？博爾特的百米速度剛剛超過每秒10米，你竟然說“萬物都以光速運動”？
再回味一下之前我所說的“我們平時所說的速度其實都是指空間上的速度”，你可能意識到了什麼。
因爲空間和時間是一體的，當物體在空間裡運動時，肯定也會在時間維度運動。也就是說，嚴格來講，萬物是在時空裡運動，而不是在空間裡運動。
“時空”和“空間”，一字之差，卻會帶來完全不一樣的結果。
剛纔我所說的“萬物都以光速運動”，具體來講就是“萬物都以光速在四維時空裡運動”，而不是“萬物都以光速在空間裡運動”！
通俗來講可以這樣理解，每個人的運動速度有兩個方向，分別是空間維度的速度，還有時間維度的速度，而最終的運動速度是這兩個維度速度的合成，結果就是恆定保持光速不變。
看到這裡，或許你開始進入狀態了。
用白話來講就是，物體在時空中的速度是由空間上的速度與時間上的速度共同決定的，如果物體在空間上的速度越快，那麼在時間上的速度就會越慢。反之，如果物體在空間維度的速度越慢，時間維度的速度就會越快。
但無論空間和時間上的速度快或者慢，最終都不影響最終的合成速度，那就是光速。
這裡有兩個極端情況。
第一個極端，物體在空間維度的速度爲零，也就是我們通常所說的“靜止不動”。那麼，既然空間上的速度爲零，意味着時間維度的速度就必須是光速。
該如何理解“時間維度的速度是光速”呢？很簡單，就是字面意思：物體以光速在時間維度飛行。所謂的“時間如流水一去不復返”！
另一個極端，物體在空間維度的速度是光速，當然這是不可能的，這裡只是假設。既然空間上的速度爲光速，就意味着時間維度的速度是零，這說明什麼？說明時間靜止了！
也就是說，如果你想讓自己的時間變慢，趕緊運動起來吧，運動的速度越快，時間就會變得越慢。而如果你很懶，就是不想動，在空間上的速度爲零，那麼時間就會以最高快的光速流逝。
這就像魚和熊掌不可，你必須在空間和時間兩個維度上做出選擇和妥協！
實際上，這就是狹義相對論中的“時間膨脹效應”，速度越快，時間就越慢。當然引力也會影響時間的快慢，這涉及廣義相對論。
從愛因斯坦的時間膨脹公式中也能夠看出，當一個物體的速度無限接近光速時，時間就趨於靜止，這也是“萬物在四維時空中總是以光速運動”的最好證明。
用物理學術語描述就是：宇宙萬物在四維時空中的速度都等於空間的中的運動速度與時間中的運動速度的矢量和。該矢量和就是光速。
當然，這個結論絕不是拍腦門想象出來的，可以通過數學公式分析推導出來，具體過程就不再詳述了，大家知道就行了。
到這裡，我也知道肯定有不少人仍舊不太理解，這很正常，因爲平時我們所說的速度就是默認在三維空間的速度，如今突然變換到四維時空，肯定會不適應。用比較專業的術語來講，三維空間中的速度是以歐式空間爲背景的，而四維時空中的速度是以閔氏空間爲背景的。
明白了歐式空間與閔氏空間的區別，接下來一起了解一下三維空間的速度與四維時空的速度的區別。
三維空間的速度，很好理解，就是我們平時所說的速度。那麼四維時空裡的速度是什麼呢？如何計算呢？
按照速度計算公式，四維時空的速度應該也等於距離除以時間。但是請注意，四維時空的距離與三維空間裡的距離完全不同。
從四維時空中的一個點移動到另一個點的“時空位移”就是四維時空中移動的距離，然後除以時間，就是四維時空中的速度。那麼這個位移是如何計算的呢？
簡單講，就是在三維空間座標系中加一個時間軸，說白了就是我們平時所說的時空圖。四維時空裡有四個座標，包括一個時間座標和三個空間座標，那麼四維時空的位移就是從一個事件移動到另一個事件。
也就是說，四維時空的位移就是兩個不同事件的距離。即便你坐在家裡一動不動，你在三維空間的座標沒有變化，但在四維時空座標裡，你一直在移動，因爲你的時間座標一直在移動。這就是四維時空與三維空間的最大區別。
到這裡大家也應該明白了爲何說“光速不可超越”。不過，問題到這裡還沒有結束，任何問題都要儘可能追問到底，雖然“刨根問底”的結果一定會走進死衚衕，但我們還是要儘可能地追根溯源。
雖然以上說了很多時間和空間維度的速度問題，其實沒有提到一個最根本的東西：光速不變原理。
無論是以上時間和空間維度的速度關係，還是愛因斯坦提出的狹義相對論，都是在光速不變原理的基礎上建立起來的。
說白了，光速之所以不可超越，本質上就是因爲光速的特殊性：光速是絕對的，在任何參照系下都保持不變。
舉個簡單的例子就能明白光速的這種“霸道”行爲了。即使你以0.99倍光速的速度去追趕一束光，在你眼裡，光的速度仍舊是光速，而不是光速減去你飛行的速度！
這就是光速不變原理，光速就是如此特殊。這種特殊性完全違背了我們的傳統認知。按照我們的日常生活經驗，任何速度都是相對的，都需要有參照系纔有意義，但光速並不需要參照系，或者說在任何參照系下光速都保持不變。
這裡有必要特別說明一下，光速不變原理其實就是一個假設，也是公理，而公理就無需證明，也沒有辦法最終證明。
也就是說，愛因斯坦的相對論是建立在假設的基礎上才創造出來的。看到這裡，你可能一臉不屑：什麼？統治宏觀世界一百多年的相對論，就是建立在假設基礎上提出來的？
確實沒錯。但這種假設並不是愛因斯坦靈感來了，然後拍腦門想出來的，需要有相當成熟完善的物理學知識，加上大膽的顛覆性思維模式，纔可能提出來這個看似無理的假設。
簡單講，愛因斯坦通過偉大的麥克斯韋方程組獲得了靈感，然後加上他顛覆性的思維模式，大膽提出了光速不變原理這個假設，從而創建了相對論。麥克斯韋方程組可以推導出光速計算公式，而在這個公式裡，光速是一個常數，並沒有任何參照系，光速的大小隻與真空的磁導率和介電常數有關。
當然，愛因斯坦創建狹義相對論的過程並不是如此簡單，這裡不再詳述了。
但你可能會質疑：光速不變原理並不是假設，邁克爾遜莫雷實驗不就證明了這個原理嗎？
這是對邁克爾遜莫雷實驗的誤解，這個實驗並沒有證明光速不變，只是證明了“以太”這種絕對參照系是不存在的。
當然，任何假設都要經得起考驗，也就是說必須經得起驗證。一個假設可以不符合人們的日常生活經驗，畢竟我們的生活經驗一定會有侷限性。但是假設本身只要經過實驗驗證，就是一個好的假設，甚至可以被視爲公理。
愛因斯坦提出光速不變原理這個假設之後，科學家們也確實驗證了這個假設的合理性。但是任何假設都不可能被最終證明，因爲任何科學假設本身其實就是公理，公理本身就無法最終證明。
就像“兩點之間，線段最短”這個公理，你永遠無法最終證明這個公理。兩點之間有無數條連線，理論上你需要把每一條連線都證明比線段更短，顯然這是不可能的。
這也說明了一點，“兩點之間，線段最短”其實也是假設，只不過是符合人們日常生活經驗的假設，所以很容易被人接受。而光速不變原理並不符合人們日常生活經驗，所以很難被人接受。
但是正如剛纔所說，人們的日常生活經驗總是有侷限性的，所以，如果我們不去突破這種侷限性，總是以“人們的生活經驗”爲基礎去做假設，科學就很難取得突破。
而這也說明了一點：任何假設，只要經得起實驗驗證，經得起考驗，就是好的假設。
洋洋灑灑寫了這麼多，最後可能你還會一個更大的疑問：既然光速不變原理只是假設，我幹嘛去相信一個假設呢？幹嘛相信相對論呢？
你說的沒毛病。假設的東西無所謂相信不相信，只有接受或者不接受，本來就是這樣。說極端點，愛因斯坦就相當於假設“相對論是對的”，然後提出了相對論。既然假設“相對論是對的”，你還質疑什麼呢？你只有兩種選擇：接受或者不接受。
而無論接受還是不接受，都沒毛病，也都無所謂對錯。你甚至可以提出自己的假設，然後在自己假設的基礎上建立自己的理論，來推翻相對論，這完全是可以的。但前提是，你的假設要比愛因斯坦的假設更靠譜，更經得起考驗，不然別人爲什麼要接受你的理論呢？
而愛因斯坦偉大的地方就在於，他僅憑兩個假設就創造了相對論。理論上講，假設的越少越好，因爲任何假設都像一個定時炸彈，隨時可能會“引爆”，然後讓在假設基礎上建立起來的理論瞬間崩塌。
既然相對論是在光速不變原理的基礎上建立起來的，那麼如果你想質疑相對論，也沒問題，直接質疑光速不變原理就好了。但剛纔我也說了，光速不變原理就是假設，而假設的東西其實是沒有質疑必要的，只有你相信或者不相信。
說了這麼多，該停下來了。
總結就是，光速之所以不可超越，完全是四維時空的固有屬性，而這種固有屬性又是建立在光速不變基礎上的。四維時空的這種特性，與其中的任何物體都沒有關係，萬物都無法超越光速。
如果非要假設超越光速，會發生什麼呢？
很簡單，將會脫離四維時空！最終會到哪裡呢？
不知道！或許是高維度時空，在那裡萬物都必須以超光速飛行，誰知道呢？
完！