为什么光速是速度的极限

光速不是速度极限.
帖来一个超长的,很不厚道,不过还不错.你参考下
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引 言
快与慢是相对的,人们判别快慢往往需要一个参照物,要么与人走动的快慢相比,要么同静止的大地对照.两列火车相向行驶,一辆火车里的乘客看到另一辆火车飞弛而过,速度很快；若是两列火车同向行驶,一辆火车里的乘客会看到另一辆火车的速度不快甚至静止、倒退,这是由于乘客自身的运动速度不同,他观察到的另一列火车的速度也就不同；换一种说法,即物体运动的速度对于不同的参照系是可以不同的.但是,我们能不能就此得出结论：所有物体相对于“以不同速度运动着的参照系”的速度都是不同的呢?否!光速就是其一.实验和计算均证实,真空或空气中光速的大小与参照系的运动无关,在静止的火箭或是飞驰的火箭上去测光速总不变,它总是常数C,并且光速的大小还与光源的运动状态（速度、方向）无关,这就是狭义相对论的“光速不变原理”.也就是说,将光源安装在火车、飞船上,不管火车、飞船静止还是奔驰,测得的光速都是一样的,光在真空中的速度大约总是300,000千米／秒.相对论有一个根本的立论：光速在所有已知速度中是最大的,任何物体的运动速度,不能超光速,光速是自然速度的极限.
一、光速的计算、测定及相对论对速度的限定
“300,000千米／秒”这个光速的数值是怎样得到的?
光速的测量已进行了几百年.第一个认为光是以有限速度传播的是意大利的科学家伽利略（1564～1642年）,他在1638年所做的实验因条件所限而没有得到结果.1675年,丹麦天文学家奥劳斯·雷默（1644～1710年）借助于观测木星的卫星被木星掩蚀现象,对光速作了粗糙的估算,第一欢得到了光速的数值为214000千米／秒.这个估算结果误差很大,究其主要原因是当时对地球的直径了解得不够准确.在这以后,实验设备不断改进,实验技术不断提高,光速测定实验的精度也就不断提高.到1972年,埃文森利用激光技术,得到了前人无可比拟的光速数值为c＝299792.458±0.00012千米／秒.1983年10月,第17届国际计量大会把c=299792.458千米／秒作为光速的确定值,这同理论上计算出的c＝299792.50千米／秒相吻合.在理论上第一个做出精确计算的人则是电磁场理论的奠基人麦克斯韦,他在自己创建的电磁场理论中,不仅证明了光是一种电磁波,而且还从真空的介电系数 ε0和导磁率μ0计算出真空中的光速为299792.458±0.0012米/秒.计算所用的公式为:
（没……没公式,贴不上）
可是,当物体的速度接近光速时,物体的特性却会发生意外的变化.其中之一是物体质量会随之增加,与光速愈接近,质量增加得愈大.相对论用下面的著名方程来表达这一理念：
E=MC^2
这里m 是物体以速度v运动时所具有的质量,m0是物体的静止质量,即物体不运动时的质量,c为光速.
从这个关系式可以清楚地看到：随着v接近光速,分母减小,开始减小得很慢,后来越来越快；最后v等于光速c时,物体的质量就变为无限大.
一个物体的质量是无限大,这是不可思义的.要使一个趋向无限大的质量加速,无疑需要一个趋向无限大的力.可是,自然界里,没有一个物体的质量是无限大的,也没有一个力是无限大的.宇宙广阔无垠,但其中每一个成员如太阳、地球却都是有限的,每个成员受到的力也是有限的.这样,唯一正确的论断只能是一切物体运动的速度不能超过或者等于光速.
为什么在日常生活中我们观察不到相对论所预期的质量增加呢?因为通常物体运动的速度太小,质量增加的效应不明显.以每秒11公里的逃逸速度（脱离地球影响成为太阳行星的第二宇宙速度）运动着的火箭为例,如果它在地面上的质量（静止质量）是100千克,则11公里／秒的速度只能使它增加 0.35毫克.粒子加速器里的情况就不同了,如果带电粒子的速度升高到250,000公里／秒,则它的质量将增大到静止质量的两倍以上,不仅要它加速会越来越困难,还会出现由于质量增加产生的种种问题.
二、宇宙观测中的超光速现象
光速不可超越的结论对不对呢?大量事实证明这一结论是正确的.目前世界上最强大的加速器都无法将带电粒子如电子、质子加速到等于光速.但是,科学家却从宇宙星体的观测中发现了似乎是超光速的现象：
60年代,天文学家用射电望远镜所发现的 “类星体”（详见“神秘的类星体”）中,有一些包括着两个射电的子源,它们以很大的速度相互分离,有的分离速度就远远超过了光速.
1972～1974年,美国的一些天文学家发现,塞佛特星系3C120自身膨胀的速度达到了光速的4倍.
1977年前,又陆续发现类星体3C273、3C345和3C279各自的两个组成部分的分离速度分别达到光速的9.6倍、10倍和19倍.
近年来,天文学家用分辨率极好的长基线射电干涉仪,又新发现了10个类星体的两个子源,其分离速度均达到光速的7或8倍.看来,河外射电源的各组成部分分离的超光速膨胀现象并非是罕见的事例.
怎样来解释这一违背狭义相对论的物理现象呢?英国剑桥大学的天文学家兰登·贝尔认为,这是一种光学错觉.他提出,仍然要用爱因斯坦学说来阐明其原因：如果两子源以近乎光的速度向着地球运动,则将会使我们产生时间感觉上的差异.因为发射较晚的光越过较短的距离,使地面观测者看到运动所经历的时间要比两子源实际分离的时间为短.因此,从两子源各自的参照系来看,它们向外膨胀的速度并未超过光速.但若两子源以垂直于视线的方向离开,则不会产生超光速错觉.这是目前天文界比较流行的一种解答模式.为了使读者明了这个模式,再举一个飞机飞行的例子.一架亚音速飞机从你头顶上俯冲斜插而下,在一千米高度上飞机发动机发出一声特别的响声,当飞机下降到一百米高度时又发出同样的一声响声,按照距离,1000米高度发出的响声会比100米高度发出的响声早几分之一秒传到你的耳朵里.在这种情况下,你要是仅仅根据这两次响声来计算飞机的速度的话,你会得出飞机在几分之一秒内从1000米下降到100米的结论,这样一来,飞机的速度就大大超过音速了.这种与声波传播的时间差相类似而引起的错觉,在光波和无线电波的频率范围内也同样存在.有人计算过：如果两个射电源的轨道轴与观测者视线之间形成的夹角为12度的话,那么,它们离开的实际速度就会比视速度高出10倍.
为了解释类星体的超光速现象,还有人提出了“投影效应说”,认为就像直角三角形直角边上的两点,互相以接近光的速度分离,它们在斜边上的投影点就可能作超光速分离.自从发现天体的引力场能使光线会聚的“引力透镜效应”后,又有科学家把类星体的超光速现象说成是引力透镜放大的结果,认为这只能说是一种超光速的表象,它也许有别的原因造成,还不能算作超光速的实例.
对类星体超光速膨胀现象的解释除上述兰登·贝尔模式外,还可举出“传播条件发生变化论”和“花环模式”等.我国北京天文台的梁宝鎏和崔振兴提出了“视超光速现象”的相对论激波模型.但北京师范大学的曹盛林和中国科学技术大学研究生院的刘永镇、邓祖淦等三人则认为洛伦兹变换只能描述亚光速运动,狭义相对论不能否定超光速运动的可能存在.如果假定物质可以存在一种真实的大于真空中光速度的运动,则可以建立起一种新的理论.他们讨论了史瓦西场中的超光速运动,并以3C34、3C273和3C120为例,表明史瓦西场中的类空测地线,只要适当选择中心场的质量,即可与上述三个河外射电源的超光速膨胀的观测数据很好地符合.他们还计算出这些射电源的质量为太阳质量的1012～1013倍.
三、狭义相对论的结论
如果一个物体的速度超过光速又会怎样呢?狭义相对论的有关方程告诉我们,这个物体的长度和质量,将不能用一般的实数来表示,而必须引用虚数.人们曾认为这是无法想象的,因此断定这种东西是不可能存在的.但是,把不可想象的东西认为是不能存在的东西,似乎有点武断.
光速不变,在建立相对论时并没有什么实验依据,而是爱因斯坦的一个大胆的假设.爱因斯坦把光速放到这种与众不同的特殊地位,当然直接破坏了人们十分熟悉的速度合成关系,因此曾遭到众多的非议.然而,到目前为止,有很多实验都证实了它的正确性.
爱因斯坦的相对论同样也要遵守事件发生的因果律.根据因果律的要求,有因果关系的两个事件发生的先后顺序,无论从哪个参考系来看都是不容颠倒的,也就是说,一切物体的运动速度小于光速才能保证因果关系不会颠倒.事实上,首先是因果关系在任何情况下不容许颠倒,才导致了光速是任何物质运动的极限速度,也是一切相互作用传播的最大速度；反之如果物体的速度大于光速,就会出现因果颠倒的荒谬局面.相对论明确指出,任何物体（或粒子）的速度总是小于c,最多等于c,这个理论上的结果已被大量实验所证实.然而,狭义相对论只对物体的运动速度,或者信号传播和作用传递的速度给出了极限,而并没有限制任何速度都不能超光速,还有,应该说狭义相对论也并非万能的理论,它也有其使用的条件和范围,因此,我们不能仅根据一个光速不变原理而去排除自然界本来就存在超光速粒子的可能性.
四、到底有没有“快子”
近年来,有人将自然界的粒子分成慢子、光子和快子三类,按静止质量（m0）的大小,慢子 m0＞0,光子m0＝0,而快子m0＜0,快子就是比光运动得还快的粒子.
最先假定快子存在的是美国科学家比拉纽克和苏达珊,直到1967年,美国哥伦比亚大学的杰拉尔德·范伯格才确定了快子在科学中的地位.他认为快子应该存在,只不过它具有负重力的性质,也就是它同我们这个宇宙中的物质不一样,并不是靠万有引力相互吸引,恰恰相反,而是相互排斥的.如果把我们的宇宙称作“慢宇宙”的话,那么,由快子构成的宇宙,则是“快宇宙”,光速是“慢宇宙”,与“快宇宙”的分界线.在“快宇宙”中,会出现许许多多在“慢宇宙”中看来荒唐滑稽的事情,譬如,在“慢宇宙”中,不动的东西能量为零,一旦它获得能量,便会运动得越来越快,能量无限大时,它就以光速运动.但在“快宇宙”中,情况恰恰相反,如果快子的能量为零,它就以无限大速度运动,它得到的能量越大,跑得就越慢,当它得到能量为无限大时,快子的速度就降低到光速.在快宇宙里,光速是快子最小的运动速度；而在“慢宇宙”里,光速则是物体运动的极限.
“快子”是不是真的存在呢?有什么迹象可以证明它的存在呢?科学家们认为,确实有可能存在一个并不违反爱因斯坦狭义相对论的“快宇宙”.而如果快子以超光速在真空中运动,那么必然会在飞过的地方留下一条发光的蓝尾巴,物理学家称这种现象为“切伦科夫辐射”,它是由俄国物理学家巴维尔·切伦科夫在1934年宣布发现的.1937年,另外2位俄国物理学家伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆解释了这种现象,结果这3位科学家分享了1958年的诺贝尔物理学奖.现在,物理学家正在想方设法抓住快子这条发光的蓝尾巴,以此来证明它的存在.当然,人们要揪住这条尾巴也并不容易,因为快子的速度是惊人的,比光还要快几百万倍；用“一溜烟”、“稍纵即逝”这些字眼都难以描述快子的快速程度.一般情况下,当人们发现快子的蓝尾巴时,它早就逃之夭夭,无影无踪了.
尽管有的科学家把快子描写得栩栩如生,有的科学家却把它视为子虚乌有.看来,只有找到了它,人类才能接受快子及超光速这两个新朋友.
目前关于超光速的实验观测是非常令人关注的,类星体的超光速膨胀现象很可能是宇宙中的正常事例,预计将会不断有新的发现.目前虽然并未揭开它的神秘面纱,但对它的研究观察将激发人们对超光速现象的探讨并在地球上想方设法探测“超光速粒子”或“快子”的存在.“超光速粒子”或“快子”的主要领域多集中在天文现象方面,但目前尚无具体结果.
我们的宇宙正在膨胀,根据“哈勃定律”,离我们越远的星系其远离我们而去的速度就越大,照此推理宇宙总会有一个界限,在此界限以内,星系的退行速度不会超过光速,而在界限及界限以外的星系,它们的退行速度又如何呢?自然界究竟是否存在超光速及超光速粒子呢?这还是个谜.