第1个回答 2022-07-30
10.2 光速最大
在日常生活中，我们常听到类似这样的心灵鸡汤：只要你坚持不懈的努力，一定可以取得成功。然而在我看来，它几乎就是这个世界上最大的谎言。如果你坚持认为这句话是正确的，不妨先参考一下世界上第二大谎言：时间就像海绵里的水，挤挤总会有的！
应该承认，如果我们仅仅通过挤压的方法，的确无法榨干海绵中的所有水分。无论用多大力气，无论花费多长时间，只要这块海绵里尚有一丝水汽，我们总还可以从中再挤出那么一点点水来。但我们也同样知道，由于质量守恒原理的限制：海绵里挤出来的水的总质量，不可能超过海绵吸收的水的总质量。如果一块海绵里只是吸收了一公斤的水，无论我们怎么努力，都不可能挤出两公斤的水来！
理解了这一点，也就不难理解为什么光速最大了。对于相对论而言，光速最大原理是最常被提起的问题。提出这个问题的人往往认为：光速虽然很大，但毕竟是有限的，只要我们连续推动一个物体，并且坚持不懈的努力下去，它的速度一定可以超越光速。显然，这一过程和从海绵里挤水的过程非常类似。
的确，无论一个物体运动的速度有多快，我们总可以通过施加外力再推它一把，让它跑的更快；但就像海绵里的水越挤越少一样，我们给一个物体增加速度也会越来越难。尽管我们每次都使出同样的推力，推动了同样长的时间，但物体的惯性会随着运动速度的增大而增大，因此其运动速度增加的也就越来越慢。最终无论我们如何努力，都不能使物体的速度超过光速。对此，我们还可以举一个更加形象的例子。
大多数人小时候都玩儿过这样的游戏：把一个气球吹起来以后，捏住它的进气口把气球高高举起，随后只要我们一撒手，气球立刻就飞了出去。然而，你有没有想过，假如没有空气阻力的话，这个气球飞行的最高速度是多少呢？是光速吗？别扯了，它的最高速度只能接近于声速。这是怎么回事儿呢？接下来你将会发现：其实一个喷气的气球和一个核动力的光速飞船之间并没有太大的区别。
如图10-3所示：一只气球和一艘核动力推进的光速飞船同时停留在太空的某个位置，为了让它们的速度飞的足够快，我们在飞船里加了足够多的氘燃料，在气球中充进了足够多的氦气。只要我们一撒手，气球就会和飞船同时前进。有趣的是，虽然二者的体积、质量、结构和制作成本相差悬殊，然而二者的飞行原理却基本相似：
首先，二者飞行的基本定律都是动量守恒。如果我们把飞船、气球及其内部的燃料看作一个整体就会发现：这个整体没有受到外力作用，它们应该在原位置保持静止状态，那么飞船和气球又为什么能够飞行呢？因为它们把燃料向后高速喷出以后，自己就会获得一个向前的动力，当然，在内力的作用下，飞船和燃料这一整体只会发生形状改变，不会发生位置的移动，换言之，飞船和气球高速前进的代价就是燃料在高速后退，在此过程中，它们的质量中心并没有发生任何移动。
其次，飞船和气球都会向后高速喷出氦气，飞船内核的氘元素经过核聚变以后会形成氦元素喷出；而气球之中本就是充入的高压氦气，当然也就只能喷出氦气了。
最后，这两个设备还有一个共同的特点：随着燃料不断燃烧，氦气不断喷出，飞船和气球中的燃料越来越少，其总质量也就会越来越少，这样一来就可以部分的平衡一下由于速度增大而导致的质量增大的问题。
二者区别仅仅在于，飞船的能源来自于核聚变，他喷出的氦气速度几乎和光速接近；而气球的能源则仅仅是氦气分子相互碰撞的动能，因此它喷出的氦气的速度只能和声速处于同一个量级。
理解了两套设备的飞行原理以后，就可以出发了：在一声令下之后，飞船和气球同时启航，伴随着向后喷出的两条长长的气流，飞船和气球缓缓的运动了起来。为什么飞船和气球的初始速度很慢呢？因为我们装的燃料太多了，燃料自身的质量实在太大，以至于飞船的质量都可以忽略不计，这样大的质量导致初始的加速度太小了，不过速度会慢慢积累的，反正我们的目标在于超光速，也不能太计较一时的得失，不能太急于求成。
果然，经过1年的加速后，飞船内的燃料烧了一半，气球内的气体也喷出了一半，此时，飞船的速度已经接近光速的一半了；而气球的速度也接近声速的一半。当然，这样的结果并不让人感到意外。
因为飞船燃烧的产物是以接近光速的速度喷射而出的，如果我们把飞船和飞船喷射而出的物质看作一个整体，那么由于这个整体依然悬浮于太空中，它在没有受到任何外力的条件下，当然不能发生任何移动，所以飞船和喷射物整体只会发生形状的变化，它们的质量中心不会发生任何移动。其中的原理如图10-4所示：
当飞船把一半的质量以光速 c 喷出以后，从地面上看来，则是飞船和喷射物各自以 c /2的速度互相远离。同样，当气球把一半质量的气体以声速 s 喷射而出时，气球和喷射而出的物质也是各自以 s /2的速度互相远离。
那么，是否等待燃料烧完，飞船就达到光速了呢？看来完全没有这个必要，按照目前的态势，只要飞船继续燃烧四分之一的燃料，把四分之一的质量以光速喷出，它就可以继续增加1/2的光速，从而使得自己的速度达到光速。同样，气球只需要继续以声速喷出四分之一的气体，它自己的速度也就能达到声速了。然而，如果我们仔细观察就会发现，实际情况却并非如此：
首先，从气球中喷出的气体速度逐渐降低，已经不能继续以声速喷发了；虽然飞船喷发的物质速度没有降低多少，然而，飞船自身的质量似乎增加了很多，甚至质量的增量已经超过其燃料减少的量。因此飞船的速度同样无法达到光速，这又是为什么呢？
接下来，我们首先分析气球的情况，气球为什么可以往前飞呢？从宏观角度来看，由于气球内部的气压高于外部气压，氦气就在压强差的作用下泄露出来，而由于气球整体没有受到外力的作用，如果有气体从气球的喷口出向外喷出，那么气球就应该向相反的方向运动。随着气球中气体不断外泄，气球的体积就会逐渐减小，接下来我们再从微观的角度分析：
众所周知，气球内部的之所以会产生压强，并不是因为气体分子之间存在斥力，而是因为每一个气体分子都处于高速且无规则的运动之中，不仅气体分子之间存在相互碰撞，而且气体分子和容器之间也会相互碰撞，这就使得气球外壁感受到了挤压。在理想条件下：气球之内没有任何能量来源，气球表面被拉伸的一点弹性势能完全可以忽略，它仅仅可以被视为维持气压的必要条件。因此，气球整体运动的动能全部来源于每一个气体分子运动的动能。
同时我们也知道，气球内部的大量分子完全处于无规则的运动之中，它们向任何方向运动的概率完全相等，因此，如果气球没有喷口的话，这些气体分子撞击气球内壁每一个位置的几率也是完全相同的，所以当不打开喷气口时，气球整体处于静止状态，不会发生向任何方向的移动。
当我们打开气球的喷口后，由于气球后壁上存在一个缺口，当气体分子撞击到喷口这个位置的时候，直接就可以从喷口处飞出，而气球的前壁上没有喷口，气体分子撞到前壁的对应位置时，却会被前壁弹回气球内部。如图10-5所示：由于前壁的面积大于后壁，因此气体分子撞击前壁的概率就大于后壁，于是在大量分子的撞击下，气球就可以缓缓的前行了。
值得注意的是，尽管气球整体获得了一个向前的速度，但是气球和球内气体分子的整体能量并不会改变，它只是把一部分微观层面无规则运动的内能，变成了气球整体运动的动能而已，换句话说，那些从气球的喷口出飞出气球的气体分子，并没有把它们的动能无条件的传递给气球，每一个气体分子的动能仍然属于自己。导致气球整体前进的是那些撞击在气球前壁上的分子，而这些分子由于和气球的运动方向相同，暂时还处于气球内部。我们不妨假设气球内这些气体分子原有的平均速度是 v 0，当气球以速度 v 运动起来以后，气球内部的分子现有的平均速度是 v 1，气球整体质量为 m ，根据能量守恒定律可知：
上式表明，随着气球整体运动速度的提升，球内气体分
子的平均速度 v 1在不断降低。因此这些分子离开气球喷口的速度当然也就会不断降低，于是，我们才会看到气球喷出气体的速度不断减慢。然而，如果我们此时站在气球内部观察，并按照气球内部的运动规律计时的话，就会发现一个有趣的现象：
随着气体不断外泄，气球的体积也会不断减少，在此过程中，如果我们假设气球的密度不变，也就意味着每个气体分子之间的平均距离保持不变。如果我们要在气球内部搞一个计时系统，能够用到的计时方式也就是气体分子之间的平均碰撞周期。显然，这一周期取决于分子之间的平均距离以及气体分子的平均速度。由于分子的平均距离不变，而气体分子的平均速度却在减小，所以，气球内部的计时系统会随着气球整体速度的增加而变慢。我们假设气球内部的分子平均距离是 l ，初始状态下气体来回碰撞一个周期的平均时间为 t ，在气球运动后气体碰撞周期变为 t’ ，则有：
怎么样，上面的公式是不是非常亲切呢？我们只需要把
v 0变成光速 c ，得到的就是飞船时间变慢的公式。对于这种现象，我们可以有三种解释：一是认为气球喷出的气体减速了；二是认为气球内部的时钟变慢了；三是认为气球的质量随着速度而增加了。从表面上看，这三种解释说法各异，但在本质上却是完全等价的。
综合上述原因不难发现：气球的运动速度不可能超过分子初始时的平均速度 v 0，这个速度大约和声速处在同一量级。如图10-6所示：假设到最后的某一时刻，气球内的气体几乎全部喷出，球内就剩下一个气体分子了，那么由于气球球皮的速度已经达到速度 v 0，球皮内仅存的这个分子的速度也是 v 0，于是这个分子就和气球球皮相对静止，球内气体的无规则运动也就完全停止了。
对此，我们还可以换一个角度考虑：如果我们忽略气球球皮的质量，站在这个仅存在球皮内的气体分子的立场上考虑一下就更容易理解了，尽管我们在出发前为气球充入了大量的气体作为气球的动力来源。但是，我们充入的这些气体分子中，有没有任何一个分子曾经帮助过目前球内仅存的这个分子呢？没有！因为气体分子的质量是相同的，根据动量守恒原理，质量相同的两个物体在碰撞的时候，只会发生速度方向的改变，而不会发生速度大小的增减，所以没有任何一个被喷出球外的气体分子曾经把自己的动能无偿交给残存于球皮内的这个分子。反过来想，如果我们只是在气球内放置一个气体分子，在忽略气球球皮质量的条件下，这个分子同样可以推动整个气球以 v 0的速度前进。是啊，如果每个分子的速度都不大于 v 0，那么谁又会有能力通过碰撞球皮，使得球皮的速度超过 v 0呢？
以上就是气球的最高速度只能达到声速的原因，而飞船的速度不能超过光速的原因几乎完全一致。当飞船高速运动起来以后，从地球上看到的场景如下：首先是飞船的内部时间变慢了，其次是飞船喷射出的物质的速度减慢了，最后是飞船的惯性也增加了，于是飞船的加速效果越来越不明显，不但无法超越光速，而且始终无法达到光速。如果说气球运动的总能量来自于气球内部的以声速运动的气体分子，那么核动力飞船运动的总能量就来自于物质内部的以光速运动的基本粒子。
按照相对论的理解：质量是能量在空间中打出的绳结，能量是质量在时间中舞动的飘带。目前我们能接触到的所有物质都是由基本粒子组成的，而所有的基本粒子，又是来源于宇宙大爆炸的一瞬间，巨大的能量场把时空压缩扭曲成一个一个的死结，于是能量以质量的形式存在下来，不至于太快的消散。它们先是被强相互作用束缚在原子核内，接着被电磁作用约束在了大大小小的原子分子内部。直到整个宇宙被扩张到百亿光年的尺度，宇宙空间中各处的平均质量、平均能量已经非常稀薄的时候，时空的绳结才在弱相互作用下慢慢解开，于是凝结的质量瞬间消失，回归到灵动的能量态。
当我们以核动力在推动星际飞船的时候，其实就是在以弱相互作用瓦解强相互作用对氘原子内能量的束缚，当部分物质的质量态回归能量态以后，就会释放出大量的光和热，在光和热的电磁作用下，由氘原子聚变而成的氦原子被喷射而出，从而推动飞船前进。同时，我们必须明白，虽然核聚变的能量非常大，但氦原子是不可能以光速被喷出的，因为氘原子中的质量并没有全部转化成能量，只是转换了其中的一部分，因此氦原子运动的最高速度也达不到光速的量级。
最后，可能有人会提出这样的问题，也许飞船不能达到光速只是因为我们让飞船自己携带燃料飞行，如果我们从地球上主动发送给它一些能量呢？同样不行！因为我们发送能量的最高速度也是光速。以光速去撞击一个物体，使其加速，所能达到的最高速度也只能是光速。反过来想，假设这个物体自身的运动速度居然能够超过光速，那么也就意味着我们从地球发射的能量都追不上它，如此一来又如何给它补充能量呢？
当然，如果我们通过激光束连续不断的推动飞船，飞船的确会不断加速，从而不断接近光速。最终，在相对论的作用下，当飞船无限接近光速时，飞船内部的时间会降低到无穷慢，飞船喷射的物质能量降低到无穷小，而飞船的惯性质量将提升到无穷大。同时，飞船还将因为尺短现象，使得运动方向上的距离看起来会无穷小。最终我们看起来的情况是：飞船就像遭受了“二向箔”的降维打击，被自己的速度压成了一张似乎处于绝对静止的薄片，成为飘在太空中的一副质量巨大的平面画，反过来，如果我们站在这艘飞船上回望，也会发现地球甚至整个可视的宇宙空间也变成了一张静止的平面画。因此，即使物体的速度能够接近光速，我们看到的场景是非常恐怖的。
最后，再让我们大开脑洞假设一下，如果某个物体的速度远远超过了光速，又会发生怎样的现象呢？现在，假设我们眼前有一枚鸡蛋，有一个超光速的子弹自左向右击穿它，那么，在此过程中我们会发现什么呢？如图10-7所示：我们会首先发现鸡蛋被打碎，而后看到有两枚子弹分别从鸡蛋的左右两端冒出来，从鸡蛋右侧的钻出的子弹保持头部向前的姿态以光速向右飞去，而从左侧冒出的子弹则保持尾部朝前的姿态同样以光速向左退去！这一场景看起来完全不像是鸡蛋被一颗子弹打碎了，而像是鸡蛋这个基本粒子碎裂为了正负两颗子弹，而后这两颗子弹又以光速湮灭了。
为什么会出现这样的现象呢？因为在子弹的飞行的路径上，鸡蛋距离我们的眼睛最近，又因为子弹的速度远远大于光速，所以我们不可能在它飞过最近的位置之前看到它，必须要等到子弹飞到自己眼前才能看到，之后才陆续收到它飞过其他位置的信号。而一旦我们发现鸡蛋破碎发生在子弹穿过以前，我们的世界观就会彻底崩塌。
在我们看来，整个世界是受因果律控制的，不同的原因会导致不同结果，因此原因一定要发生在结果之前，因为子弹穿过是鸡蛋破碎的原因，因此子弹穿过一定要发生在鸡蛋破碎前。反过来，如果鸡蛋破碎发生在子弹经过以前，那么鸡蛋破碎翻到成为了子弹穿过的原因。这在逻辑上叫做因果倒置。而且我们会发现，子弹在鸡蛋中无中生有的出现，又会莫名其妙的消失，于是，整个世界就会立刻陷入混乱无序的状态之中。所以光速最大绝不仅仅是一种物理现象和自然规律，它同样影响着我们的哲学观和世界观，影响着整个人类知识大厦的基础。
对人类而言，光不仅点亮了这个世界，而且还保障了整个世界有序的运行。最后，我们应该达成这样的共识： 光速最大原理不是人类认识世界不足表现出的卑微和怯懦，相反它正是人类在取得对这个世界的透彻认识后表现出的自信与勇敢！