為什麼物體的速度無法超過光速？光又為什麼能達到光速？

在上一篇文章《兩艘飛船接近光速相對飛行，它們的相對速度會超過光速么？》里，我否定了試圖通過相對速度繞過光速這個門檻的想法，你兩個物體的運動速度再怎麼快，再怎麼無限畢竟光速，你們的相對運動速度還是無法超過光速。

這個問題是搞清楚了，但是沒想到有些讀者對這個問題的假設產生了疑問：為什麼我單個物體的運動速度永遠無法達到光速？為什麼偏偏光速是所有物體運動速度的上限呢？牛頓第二定律不是告訴我們：只要我們提供一個恆力，物體就能產生一個恆定的加速度么？我慢慢加速慢慢加速，按道理總有一個時候會超過光速的啊？

還有些剛學完了高中物理的一些知識，得到了一些速度的公式。比如，老師說自由落體的速度公式是：V=gt。這個g是重力加速度，那麼我假設物體從一個非常遠的地方做自由落體運動，假設在太空里沒有摩擦力，那麼一定時間之後速度會不會就達到光速了呢？

首先呢，肯這樣去想問題肯定是值得鼓勵的，不管你想的是對是錯，還是有多荒謬。對問題感興趣，肯動腦子就是好的。

然後，我們在慢慢接觸相對論的時候，一定要慢慢學著轉換思維。在相對論里，很多事情都變得不再跟牛頓力學裡面一樣，或者說，當物體的速度慢慢接近光速的時候，這些差異將會迅速被放大到無法再被忽略。

回到問題

我們先來看看上面的問題，那個試圖用無限自由落體加速到光速的漏洞是比較大的。因為我們在高中之所以能用V=gt來算自由落體的速度，是因為我們的實驗都在地球表面，或者說很低的地方，這樣重力加速度g可以看做是一個不變的量。其實，物體做所謂的自由落體運動，本質上是在地球的引力下做加速運動，這個加速度完全是靠地球的引力提供的，而我們也知道地球引力會隨著距離的增大而減小，你要讓它從很高的地方落下來，搞不好都已經脫離地心引力了，加速度直接沒了。

那有人說我假設不在地球里，而是另外一個非常大的星球，那麼它的引力應該可以提供非常大的範圍吧？那高度足夠了總可以吧？

其實，個問題的本質就跟之前那個同學說根據牛頓第二定律F=ma，只要有外力就有加速度，那麼我慢慢加速總能把物體的速度加速到光速一樣。只不過自由落體運動的時候提供外力的是星球的引力，你不用搞得那麼複雜，去弄很多條件讓它自由落體，可以直接假設一直有一個恆力（引力也好，自己提供燃料動力也好）讓物體加速，然後準備好西瓜板凳啤酒瓜子，坐等它的速度慢慢加到光速。

可是，你真的能等到這一刻么？

慣性質量的問題

不知道大家對上一篇文章里的合速度公式還有沒有印象：

這次我么只稍微關注它分母的一個特點：它永遠比1大，而且速度越大比的大的越多。

這意味著什麼呢？這意味這這個合速度的值永遠比分子（直接疊加的速度）要小，這就是說在牛頓力學裡，如果我給物體一個力F讓物體的速度從V1加速到V1+V2，你以為加速到了這個值，但是實際上它加速到的速度比V1+V2要小。

也就是說，改變這個物體的運動狀態比想像的要難一些，改變物體運動狀態的難易程度就叫慣性，衡量慣性的唯一量度就是它的質量，這個質量我們又把它稱為慣性質量。現在，改變物體運動狀態變難了一點，也就是說它的慣性質量變大了。

也就是說：在相對論里，運動物體的慣性質量不是一成不變，而是會變大。（真正推理過程並不是如上面那樣，上面那些寫只是方便大家理解。另外，物體的質量有慣性質量和引力質量，在牛頓力學裡他們只是巧合成正比，然後通過單位換算讓他們相等，但是在廣義相對論里，愛因斯坦認為慣性質量和引力質量是等效的，他們的相等不是巧合。）

運動物體的質量

在牛頓力學裡，物體的質量是一個固定的值，是物體最基本的屬性。但是在相對論裡面物體的質量是會變化的，他會隨著物體速度的增加而增加，這樣當物體的速度越來越大的時候，物體的質量就也會越來越大，質量越大給物體加速所需要的力就越大。

相對論里運動物體的質量公式是這樣的：

其中 u 表示物體的速度， m0 表示物體的靜止質量， c 代表光速。

我們看到當物體的速度接近光速的時候，右邊式子的分母會趨向於0，所以整個值會趨向於無窮大。也就是說當物體的速度逼近光速的時候，這個物體的質量會慢慢增加到無限大，這時候如果你還想給物體加速，所需要的力或者說能量將會變成無窮大，這顯然是不可能的。

科學家們確實也證實了這些，他們在粒子加速器里可以把一些粒子的速度加速到光速的99.9999%（後面有多少個9我記不清了），反正就是無法達到光速。

大家再看看這個公式，如果物體的速度真的大於光速，那麼根號裡面的數值將為負數，而整個分母會出現虛數。虛數在數學裡允許存在，但是在我們現在物理里暫時是沒有什麼意義的（或許有一天我們會發現另外一個虛世界，這個世界裡光速是它們的最低速度）。

所以，任何有靜止質量的物體它的速度都無法達到光速，只有像光這樣靜止質量為0的物體才能達到光速。所以，一開始的那些問題里，試圖通過牛頓第二定律的F=ma來加速物體到光速的想法再次宣告破產，因為它成立的前提就是質量是永遠不變的。而牛頓哪裡又能想得到物體的質量居然會隨著速度的增加而增加呢？

連我們最熟悉的質量都在變，真不知道還有啥是不變的！是啊，這就是相對論，時間、長度、質量都是相對某個參考系來說的，不同的參考系裡不一樣是很正常的，唯一不變的居然是光速。

「相對論真是反常識！」你吐槽到！

「放心，你絕不是一個人……」

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