戴夫·戈德堡+曲樂(lè)

如果你正以光速行駛，并開(kāi)啟汽車大燈，大燈的速度是不是就超過(guò)了光速？答案是：不可能！物理學(xué)知識(shí)告訴我們，我們的速度永遠(yuǎn)只能限于亞光速以內(nèi)，所以還是不要嘗試了。

物理學(xué)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題的態(tài)度招來(lái)一片質(zhì)疑的聲音。難道是我們的思想太過(guò)保守嗎？總有一些人不顧早已存在的證據(jù)，對(duì)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程式表示懷疑。例如，核武器和核能的出現(xiàn)已經(jīng)證明了愛(ài)因斯坦是正確的，但直到現(xiàn)在，我還是每隔幾周就能收到有人寄來(lái)的詳細(xì)手稿，斷言質(zhì)能方程式E=mc2是錯(cuò)誤的。

在這里我不想贅述，只想給出一些觀察結(jié)果，希望足以說(shuō)明問(wèn)題。狹義相對(duì)論預(yù)測(cè)，如果你給一個(gè)大質(zhì)量粒子持續(xù)的力，它將運(yùn)動(dòng)得越來(lái)越快，最終慢慢接近光速，卻永遠(yuǎn)不可能超越光速。例如，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)成功地將質(zhì)子束加速到3.5萬(wàn)億電子伏特，這意味著質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到99.999994%的光速。當(dāng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)全功率工作時(shí)（能量是7萬(wàn)億電子伏特），質(zhì)子束將運(yùn)動(dòng)得更快，但即使這樣，它也不可能超越光速?！斑_(dá)到光速”和“無(wú)限接近光速”之間的差別似乎只是學(xué)術(shù)上的事，卻產(chǎn)生了巨大的影響。

我們需要接受“或許我們錯(cuò)了”這樣的可能性，但在這件事情上，有太多的證據(jù)證明我們并沒(méi)有錯(cuò)。如果狹義相對(duì)論是錯(cuò)誤的，粒子對(duì)撞機(jī)就不可能工作。同樣，全球定位系統(tǒng)也不能工作。1887年，邁克爾遜和莫雷通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)處于運(yùn)動(dòng)中的觀察者來(lái)說(shuō)，光是以同樣的速度傳播的。如果狹義相對(duì)論是錯(cuò)誤的，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果就講不通了。所有近代物理學(xué)（和技術(shù)）都是建立在狹義相對(duì)論基礎(chǔ)之上的，到目前為止，一切實(shí)驗(yàn)都證明它是非常準(zhǔn)確的。換言之，如果你試圖證明愛(ài)因斯坦是錯(cuò)誤的，就必須克服巨大的障礙。

人們之所以對(duì)相對(duì)論產(chǎn)生這么大的困惑，部分原因是它存在于我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。如果我站在一個(gè)以每小時(shí)96千米的速度行駛的車廂里，以每小時(shí)144千米的速度向前拋棒球，那么在站在軌道旁邊的人的眼里，這個(gè)棒球的運(yùn)動(dòng)速度是每小時(shí)240千米。表面上看來(lái)，這個(gè)邏輯似乎同樣適用于光速，其實(shí)不然。

當(dāng)你的運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，就會(huì)發(fā)生奇怪的事情。而當(dāng)你意識(shí)到中學(xué)物理老師欺騙了你（或許他們并非故意為之）的時(shí)候，會(huì)感到更加詫異。你們之中應(yīng)該有很多科幻迷，或者至少都曾經(jīng)學(xué)過(guò)牛頓的力學(xué)方程：F=ma?，F(xiàn)在我們來(lái)解釋一下這個(gè)方程，如果你給一個(gè)粒子持續(xù)的力，那么它將不斷地做加速運(yùn)動(dòng)。讓我們做一下極限假設(shè)：如果這個(gè)力持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，那么粒子就會(huì)一直加速，最終它的速度應(yīng)該能超過(guò)光速。但事實(shí)并不是這樣！牛頓的力學(xué)方程（至少就書面公式而言）是錯(cuò)誤的。

那么，如果你的行駛速度接近光速，并開(kāi)啟汽車大燈，會(huì)發(fā)生什么呢？從你的角度來(lái)說(shuō)，什么都不會(huì)發(fā)生，或者至少不會(huì)發(fā)生什么特殊的事情。如果你的面前有一面鏡子，鏡中的你看起來(lái)還和以前一模一樣。事實(shí)上，狹義相對(duì)論的神奇之處就在于，如果不看旁邊的風(fēng)景，你根本感覺(jué)不到自己在運(yùn)動(dòng)。

但在旁邊靜止的觀察者的眼里，一切都非?？?。他們會(huì)覺(jué)得整個(gè)跑車（或是船只，或是任何以99%的光速行駛的交通工具）沿著運(yùn)動(dòng)方向收縮了。如果此刻你恰好站著，看起來(lái)你就像失重了似的，并且身體像是被巨石壓扁了一樣。

他們還會(huì)發(fā)現(xiàn)，你的鐘表、心跳、語(yǔ)速、電腦運(yùn)行都變慢了。的確是這樣，但在日常生活中無(wú)法察覺(jué)。因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下，地球上的這種影響效果大約是千萬(wàn)億分之一；但在99%的光速下，你看起來(lái)只以原來(lái)速度的1/7在運(yùn)動(dòng)。在長(zhǎng)度收縮和時(shí)間膨脹的共同作用下（基于數(shù)學(xué)的必要性），站在旁邊的觀察者會(huì)覺(jué)得你的燈光的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速。同樣，就像你站在火車上向外拋棒球會(huì)使棒球的能量增加（當(dāng)然，你不能隨便這樣做）一樣，燈光的能量也會(huì)增加。區(qū)別就在于，燈光的運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)增加，只是看起來(lái)顏色更深了。在這種情況下，增加的能量轉(zhuǎn)化成了紫外光。

兩艘宇宙飛船均以99%的光速相向飛行時(shí)，會(huì)發(fā)生更加奇怪的事情。常識(shí)讓我們認(rèn)為，兩艘飛船的船長(zhǎng)會(huì)看到對(duì)方以超光速的速度飛馳而來(lái)。但事實(shí)上，因?yàn)楣馑偈呛愣ǖ?，所以所有相?duì)速度都比你想象中的要慢。在這種情形下，兩個(gè)船長(zhǎng)會(huì)看到對(duì)方以99.995%的光速飛來(lái)。

讓我們回到最初的問(wèn)題上（順便說(shuō)一下，這個(gè)問(wèn)題提得非常棒，這也是愛(ài)因斯坦年輕時(shí)曾經(jīng)提出的問(wèn)題之一），如果你的運(yùn)動(dòng)速度能達(dá)到光速，會(huì)發(fā)生什么呢？對(duì)靜止的觀察者來(lái)說(shuō)，當(dāng)你的速度越來(lái)越接近光速時(shí)，時(shí)間會(huì)變得越來(lái)越慢。如果你非要一個(gè)答案，那就是，如果你真的達(dá)到了光速，時(shí)間就會(huì)靜止，這也意味著什么事情都不會(huì)發(fā)生了。但是這沒(méi)有關(guān)系，因?yàn)槟阌肋h(yuǎn)都不可能達(dá)到光速。