为什么任何物体的运动速度不可能达到和超过光速

按照人们日常生活的经验，似乎某一处发出的光亮可以立刻被处在一定距离外的观察者看到。从通信的意义上说，发出光亮就是发送信号，看到光亮就是接收信号。发送信号和接收信号是不是在同一时刻呢？如果在同一时刻，那么光的速度应该是无限大；如果不在同一时刻，光的速度就是有限的。

300多年前，丹麦天文学家奥勒夫·罗麦通过观察木星卫星食的周期，得出了光速是有限的结论。他测得的光速数值为c=2.77×10¹⁰厘米/秒。1849年，英国的詹姆斯•布喇德雷利用齿轮法又一次成功地测定了光速。以后经过多次改良，人们确定了真空中的光速为c=2.997925×10¹⁰厘米/秒，即在1秒钟内，光可以绕地球跑七圈半！光以这样高的速度运动，在日常观测的距离上，光走过的时间实在是太微小了，以至于人们会错误地认为：光发送信号和接收信号是在同一时刻。

现今世界上存在的万事万物之中，运动速度最快的就是真空中的光速，没有其他物体的运动速度可以达到和超过光速。这是为什么呢？

原来，讨论光速的问题不单单是一个速度大小的问题，而是一个关系到人们应该用什么样的时间、空间观念来认识自然界和整个宇宙的发展变化。正是在这一点上，牛顿创立的经典物理学与爱因斯坦建立的相对论有着根本的区别。

牛顿认为，时间是绝对的，从远古的过去到无限的未来，时间总是以同样的方式流逝过去。空间也是绝对的，即衡量空间大小的长度总是固定的，无论时间和空间的测量都不会受物体运动状态的影响。此外牛顿还认为，物体的质量也是不变的物理量，不管在什么运动状态下，质量不会改变。

正是在对空间、时间和质量这三个基本物理量的看法上，爱因斯坦持有与牛顿完全不同的结论。他认为，这三个物理量不是绝对的而是相对的，也就是它们与运动状态有着密切的关系。

如果有一把静止的长度为L₀的直尺，当它以速度t；沿直尺方向作直线运动时，它的长度在运动中被测量的结果是：

$$L{\text{ = }}{L_0} \bullet \sqrt {1 - _{{{\text{c}}^2}}^{{{\text{v}}^2}}}$$ ，

这里。是光速。由于光速很大，因此L比L₀小，而且运动速度越大，L缩短越明显。通过计算，你会发现：一把静止时长度为1米的直尺，在运动速度达到0.9c时，长度只有0.436米。1米的尺缩短了一半还多！

与此相仿，如果一个时钟以速度υ作直线运动，那么静止时的时间间隔Δt0。，在运动时变成了Δt，它们之间的关系是：

$$\Delta {\text{t = }}\frac{{\Delta {{\text{t}}_0}}}{{\sqrt {1 - \frac{{{{\text{v}}^2}}}{{{{\text{c}}^2}}}} }}$$

在静止时时钟走一整天24小时的时间间隔，当时钟以0.9c速度运动时，竟然要走上55小时！时间间隔延长了一倍多！

质量也是相对的。按爱因斯坦的理论，一个静止质量为m0的物体以速度υ作直线运动时，它的质量会变为：

$${\text{m = }}\frac{{{{\text{m}}_0}}}{{\sqrt {1 - \frac{{{{\text{v}}^2}}}{{{{\text{c}}^2}}}} }}$$

静止时质量为1千克的物体，在运动速度达到0.9c时，质量增加为2.29千克！

长度缩短、时钟变慢、质量增大，这一切真的会发生吗？在高能物理的许多实验中，科学家已经完全证实了这种相对论效应。由于我们日常生活中的物体运动速度比光速小得多，因此，虽然相对论效应仍然存在，但是引起的变化微乎其微。

假如物体运动速度υ等于或超过光速时会得到什么结果呢？显然， $\sqrt {1 - _{{c^2}}^{{v^2}}} $就会变为零或虚数。这时，静止时为任何长度的物体在运动时将收缩为零或虚数，时间间隔丄和质量m在运动时将变成无穷大或虚数，这样的结论至今还没有人能证明它们的合理存在。由此可见，具有一定静止长度、静止质量，并在某个时间间隔山内运动的物体，它的速度只能接近光速，而不可能达到和超过光速，这是近代物理学上一切物体运动速度的最高限制。

关键词：光速 空间 时间 质量 相对论