一. 光速不變的歷史背景

其實早在19世紀(jì)末的時候，物理學(xué)家就已經(jīng)察覺到一些光速的不尋常了。光速的異常第一次出現(xiàn)在電磁波里面。當(dāng)時英國物理學(xué)家麥克斯韋剛剛提出著名的麥克斯韋方程組，統(tǒng)一了電磁學(xué)。人們很快發(fā)現(xiàn)，根據(jù)麥克斯韋方程組的預(yù)言，光速在任何參考系中似乎都應(yīng)該是一個常數(shù)和光源，和觀察者的速度都無關(guān)。這句話的意思是說，我手拿一只電筒，我看到電筒放出的光以光速往前運動。這很自然。不過如果我坐上一個0.5倍光速向前運動的火箭，我看到電筒的光還是以光速向前運動，而且沒有上火箭、靜止著站在地面的其他觀察者看到的光也是以光速向前運動，這就實在是太奇怪了。

二. 實驗與兩大基本假設(shè)

在電磁學(xué)理論剛出來的時候，物理學(xué)家們對光速不變這樣的推論其實是拒絕的。這太違反直覺了，一定是電磁學(xué)理論在什么地方出了問題。然而經(jīng)過了很長時間的摸索和修改，光速不變的這朵烏云不但沒有從物理學(xué)的理論框架中消失，反而變得越來越強烈和明顯，想忽略都不行。

在1887年，兩位實驗物理學(xué)家，邁克爾遜和莫雷嘗試通過邁克爾遜干涉儀來測出光速相對于地球公轉(zhuǎn)速度的變化。

然而實驗事實卻以很高的精度告訴他們，盡管地球的公轉(zhuǎn)速度一直在不斷改變，但在地球上測到的光速卻是時時刻刻都是一樣的。這就意味著光速真的跟地球參考系的公轉(zhuǎn)速度沒有任何關(guān)系。

圖一： 邁克爾遜莫雷實驗原理圖

邁克爾遜-莫雷實驗非常強有力地表明了光速就是自然界里的一個非常特殊的速度，好吧，既然實驗沒有辦法否定它，人們只好學(xué)習(xí)如何去理解并接受這一事實。到了1905年，瑞士專利局的一個年輕人，阿爾伯特·愛因斯坦決定正式承認(rèn)光速不變這個事實，并將光速不變作為一個基本假設(shè)放入它的新理論中。這個新理論就是后來大名鼎鼎的狹義相對論。

狹義相對論建立在兩大基本假設(shè)之上，其中一個是相對性原理，即要求物理定律不依賴于任何具體的慣性參考系。所以的慣性參考系均是平權(quán)的。第二個假設(shè)就是光速不變。但非常奇妙的是，人們發(fā)現(xiàn)這兩個看似簡單的基本假設(shè)要同時滿足的話，必須付出非常巨大的代價。因為這兩個假設(shè)在牛頓的絕對時空下是互相矛盾的。所以如果它們兩者都對的話，就一定意味著時間和空間不再是以前那種絕對的物理對象了。我們必須建立全新的時空。

三. 光速不變帶來的時空觀

如果我們用一種叫做洛倫茲變換的數(shù)學(xué)工具來代替牛頓時期的伽利略變換。那么愛因斯坦提出的兩大基本假設(shè)就可以同時得到滿足。

圖二：慣性參考系的洛倫茲變換

但代價是，在不同的慣性參考系中長度不再是不變的了。時間的流逝速度也不再是一樣的了。甚至在不同的地方，時間的先后順序都不一樣了。在一個參考系中A事件在B事件之后發(fā)生。換一個參考系，A事件就有可能在B事件之前發(fā)生。也就是說，未來會變成過去，過去會變成未來！

四. 如果超過光速會發(fā)生什么？

未來跟過去居然也是相對的。那這樣依賴于時間順序的因果律不是就完全亂套了嗎？不過還好。如果我們觀察得更細(xì)致一些，我們就會發(fā)現(xiàn)時間順序的顛倒并不是一個普適情況，要發(fā)生過去和未來的顛倒需要滿足一些前提條件。這個條件就是：如果兩個觀測者看兩個事件A,B的發(fā)生先后順序要顛倒的話，則要求這兩個事件在時空上的間隔是一個類空間隔才行。

什么叫類空間隔呢？

圖三：時空圖

我們?nèi)绻脮r空圖來表示我們這個世界，水平方向是我們的空間坐標(biāo)，豎直方向是我們的時間坐標(biāo)。那么光線運動的軌跡就一定處于一個45度傾角的圓錐中，這個時空圖上的圓錐就叫做光錐。它把我們的時空分成了三部分，分別是：處在光錐內(nèi)部的，叫做（關(guān)于原點的）類時間隔。處在光錐之上的，叫做（關(guān)于原點的）類光間隔，和處在光錐之外的，叫做（關(guān)于原點的）類空間隔。

類空間隔的一個特性我們剛剛說了：兩個事件的時間先后順序想要顛倒的，這兩個事件必須處于類空間隔上。

類空間隔另一個的特性是:如果想從原點到達(dá)類空間隔的任何位置，那么運動速度必須要超過光速才行。

兩個特性一結(jié)合我們就會發(fā)現(xiàn)：任何能量，物理和信息都不能超光速傳播！為什么呢？因為如果有任何一種信息可以超過光速，那么它就可以從事件A到達(dá)事件A的類空區(qū)域上的一個事件B。而類空間隔的兩個事件AB不具有絕對的過去和未來。這就使得從A,B既可以是對方的過去，又可以是對方的未來。而如果A，B之間還有超光速的信息往來。那么這就意味著我們可以從未來發(fā)送一些信息來影響過去了! 這樣世界的因果律會瞬間土崩瓦解。

而這正是物理學(xué)家們?nèi)绱斯虉?zhí)地堅持任何信息一定不能超過光速傳播的原因。