你不能走的比光速更快的真的原因是什么？

有教科书的答案，然后有真的答案。

HARD SCIENCE — NOVEMBER 17, 2022

Don Lincoln

Credit: YiuCheung / Adobe Stock

关键要点

给为什么我们不能比光速更快旅行？这个问题的答案涉及物体的质量变得无限大。这个答案是很好的，但有一个更好的答案。

空间和时间被统一成一个被称为空时的单一实体。每一个物体都以光速穿过空时旅行。

甚至一个静止的物体正在以光速运动，但它只正在移动通过时间而不是空间。

阿尔伯特·爱因斯坦被频繁的认为是所有时代最有影响力的科学家之一，有关于自然规律辉煌的洞察。然而，他的工作有一个非常令人失望的后果，特别是对那些希望有一天去遥远的恒星旅行的科学爱好者。他的理论证明了宇宙中有一个最快的速度：光速。这意味着往返于最近的恒星的最短的可能时间将用近十年。

但这到底怎样起作用呢？甚至最知情的科学爱好者往往有一个错误的或至少不完整的为什么你不能比光更快的理解。

教科书答案

这个最终速度限制是一个好奇的事实并且是一个相当跑向违反我们共同的直觉的。毕竟，如果你正在你的车里加速并踩上油门你会跑得更快。虽然你的车有一个最高速度，但我们知道一些更快的东西比如战斗机和子弹。

然而加速起来最终停止工作。无论你多么努力尝试，你不能比约186000英里/秒（300000公里/小时）走的更快。

对这个宇宙速度限制最常见的解释是随一个物体走得越来越快，它的质量增加。而这个解释有一些意义的。毕竟，来推一座山比推一个鹅卵石更难。如果物体的质量随它们越发接近光速变得无限大，你不能突破这个速度障碍有意义的------这会需要无限的能量来完成。

对这种解释有很多益处，它往往被以这样解释甚至在大学物理课上。（见鬼，甚至我也时不时已经教了这个）。但这不是最好的答案。

一切都以光速旅行

要理解为什么你不能比光快走的更快的真的原因需要我们从爱因斯坦的理论学习一个关键想法。虽然我们有共同的体验告诉我们空间和时间是不同的东西，但他意识到了它们比不同更相似。不是空间和时间，而是有一个单一的叫空时的东西。

这个想法也许最容易被类比的手段理解。观察任何世界地图。我们能在地图上识别一个在图上为两个数字纬度（南北数字）和经度（东西数字）的位置。虽然有一些小的区别（例如随你向南北移动时它会变得更热或更冷），但这两个方向之间真的没有差别。

在空时中情况更相同。个人能通过时间或空间移动，就像旅行者能决定向东/向西对南北来移动一样。

现在是关键的洞察。爱因斯坦的教授之一、一位名叫赫尔曼·闵可夫斯基的数学家观察了爱因斯坦的相对论并意识到了在它的最深层和最基本的层面上，这个理论说任何物体只是正在穿过空时旅行------部分的穿过空间和部分的穿过时间。当爱因斯坦的理论被更用力推时，它揭示的是每一个物体都以一个单一的速度光速穿过空时旅行。

为了更容易的理解这一点，假设你在一个又大又平坦的某些位置上，比如犹他州的博纳维尔盐滩。进一步假设你坐在一辆已经锁定了油门的车中以便它只能以一个单一的速度60英里/小时（100公里/小时）。

现在，让我们开始车轮向前并开车吧。如果你以每小时60英里的速度向东走，你毕竟没有在南北方向中移动。类似的，你可以以固定的速度向北走，但然后你毕竟不会向东西移动。或者，你可以选择以每小时60英里的速度向东北驾驶，从而以大约42英里/小时（69公里/小时）的速度移动在向东和向北方向中。

如果你以固定的速度移动，底线是你能在任何你要的方向中移动，但你不能在任何比这个固定的速度更快的方向中移动。

而且它在空时中也是同一的。物体在空时中以光速移动。一个静止的物体毕竟没有正在穿过空间移动，如此这个物体正在以光速移动通过时间。此外，一个以光速移动穿过空间的物体没有留下来移动穿过时间的速度。

这样，一个物体单独的可以移动穿过空间或时间的绝对最大速度也是光速。请注意这个想法也解释相对论的诡异特征，比如随着一个物体的速度越来越快时间减慢下来。一个物体穿过空间旅行越多正在越少穿过时间旅行。

速度限制是一个严酷的现实

很难以光速穿过空间旅行的原因是你必须推这个物体从在时间方向移动中出来来在空间方向中更多移动。而这原来是困难的。但即便你是成功的，你不能打败这个单一的速度。

就是这样。你不能比光更快旅行过太空的真正原因是因为你总是以光速穿过空时旅行。你能做的最好的事情就是把你所有的努力投入移动穿过空间中；但一旦你已经把所有你的运动都推进了空间方向，就没有更多的速度剩下了。就像车不能超过60英里的一样，你已经超过了。

这意味着当我们最终冒险出去进入星际空间的那一天我们被注定的旅行速度不比光更快吗？一个往返于星系中心和返回要用5万年以光速的旅行。我们能做得更好吗？

遗憾的是答案是否定的------至少不是没有一个新的科学发现。翘曲驱动、超空间和所有来自熟悉的科幻小说的比光更快的选择都不是真的------或者至少对我们的自然法则的最佳理解是未知的。提醒你，科学家们之前已经发现过未知的东西，比如无线电波和放射性，因此可以想象的一个发现会改变一切。因此，我猜有希望的。

在光明的一面，现在你知道关于空时，下次你的老板拿上你只是坐在那里的情况时，你能告诉他们他们是不合理的。你正在尽可能快的走。

https://bigthink.com/hard-science/real-reason-faster-than-light-speed-spacetime/