10.2 光速最大
在日常生活中，我們常聽到類似這樣的心靈雞湯：只要你堅持不懈的努力，一定可以取得成功。然而在我看來，它幾乎就是這個世界上最大的謊言。如果你堅持認為這句話是正確的，不妨先參考一下世界上第二大謊言：時間就像海綿里的水，擠擠總會有的！
應(yīng)該承認，如果我們僅僅通過擠壓的方法，的確無法榨干海綿中的所有水分。無論用多大力氣，無論花費多長時間，只要這塊海綿里尚有一絲水汽，我們總還可以從中再擠出那么一點點水來。但我們也同樣知道，由于質(zhì)量守恒原理的限制：海綿里擠出來的水的總質(zhì)量，不可能超過海綿吸收的水的總質(zhì)量。如果一塊海綿里只是吸收了一公斤的水，無論我們怎么努力，都不可能擠出兩公斤的水來！
理解了這一點，也就不難理解為什么光速最大了。對于相對論而言，光速最大原理是最常被提起的問題。提出這個問題的人往往認為：光速雖然很大，但畢竟是有限的，只要我們連續(xù)推動一個物體，并且堅持不懈的努力下去，它的速度一定可以超越光速。顯然，這一過程和從海綿里擠水的過程非常類似。
的確，無論一個物體運動的速度有多快，我們總可以通過施加外力再推它一把，讓它跑的更快；但就像海綿里的水越擠越少一樣，我們給一個物體增加速度也會越來越難。盡管我們每次都使出同樣的推力，推動了同樣長的時間，但物體的慣性會隨著運動速度的增大而增大，因此其運動速度增加的也就越來越慢。最終無論我們?nèi)绾闻Γ疾荒苁刮矬w的速度超過光速。對此，我們還可以舉一個更加形象的例子。
大多數(shù)人小時候都玩兒過這樣的游戲：把一個氣球吹起來以后，捏住它的進氣口把氣球高高舉起，隨后只要我們一撒手，氣球立刻就飛了出去。然而，你有沒有想過，假如沒有空氣阻力的話，這個氣球飛行的最高速度是多少呢？是光速嗎？別扯了，它的最高速度只能接近于聲速。這是怎么回事兒呢？接下來你將會發(fā)現(xiàn)：其實一個噴氣的氣球和一個核動力的光速飛船之間并沒有太大的區(qū)別。
如圖10-3所示：一只氣球和一艘核動力推進的光速飛船同時停留在太空的某個位置，為了讓它們的速度飛的足夠快，我們在飛船里加了足夠多的氘燃料，在氣球中充進了足夠多的氦氣。只要我們一撒手，氣球就會和飛船同時前進。有趣的是，雖然二者的體積、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和制作成本相差懸殊，然而二者的飛行原理卻基本相似：
首先，二者飛行的基本定律都是動量守恒。如果我們把飛船、氣球及其內(nèi)部的燃料看作一個整體就會發(fā)現(xiàn)：這個整體沒有受到外力作用，它們應(yīng)該在原位置保持靜止狀態(tài)，那么飛船和氣球又為什么能夠飛行呢？因為它們把燃料向后高速噴出以后，自己就會獲得一個向前的動力，當然，在內(nèi)力的作用下，飛船和燃料這一整體只會發(fā)生形狀改變，不會發(fā)生位置的移動，換言之，飛船和氣球高速前進的代價就是燃料在高速后退，在此過程中，它們的質(zhì)量中心并沒有發(fā)生任何移動。
其次，飛船和氣球都會向后高速噴出氦氣，飛船內(nèi)核的氘元素經(jīng)過核聚變以后會形成氦元素噴出；而氣球之中本就是充入的高壓氦氣，當然也就只能噴出氦氣了。
最后，這兩個設(shè)備還有一個共同的特點：隨著燃料不斷燃燒，氦氣不斷噴出，飛船和氣球中的燃料越來越少，其總質(zhì)量也就會越來越少，這樣一來就可以部分的平衡一下由于速度增大而導(dǎo)致的質(zhì)量增大的問題。
二者區(qū)別僅僅在于，飛船的能源來自于核聚變，他噴出的氦氣速度幾乎和光速接近；而氣球的能源則僅僅是氦氣分子相互碰撞的動能，因此它噴出的氦氣的速度只能和聲速處于同一個量級。
理解了兩套設(shè)備的飛行原理以后，就可以出發(fā)了：在一聲令下之后，飛船和氣球同時啟航，伴隨著向后噴出的兩條長長的氣流，飛船和氣球緩緩的運動了起來。為什么飛船和氣球的初始速度很慢呢？因為我們裝的燃料太多了，燃料自身的質(zhì)量實在太大，以至于飛船的質(zhì)量都可以忽略不計，這樣大的質(zhì)量導(dǎo)致初始的加速度太小了，不過速度會慢慢積累的，反正我們的目標在于超光速，也不能太計較一時的得失，不能太急于求成。
果然，經(jīng)過1年的加速后，飛船內(nèi)的燃料燒了一半，氣球內(nèi)的氣體也噴出了一半，此時，飛船的速度已經(jīng)接近光速的一半了；而氣球的速度也接近聲速的一半。當然，這樣的結(jié)果并不讓人感到意外。
因為飛船燃燒的產(chǎn)物是以接近光速的速度噴射而出的，如果我們把飛船和飛船噴射而出的物質(zhì)看作一個整體，那么由于這個整體依然懸浮于太空中，它在沒有受到任何外力的條件下，當然不能發(fā)生任何移動，所以飛船和噴射物整體只會發(fā)生形狀的變化，它們的質(zhì)量中心不會發(fā)生任何移動。其中的原理如圖10-4所示：
當飛船把一半的質(zhì)量以光速c噴出以后，從地面上看來，則是飛船和噴射物各自以c/2的速度互相遠離。同樣，當氣球把一半質(zhì)量的氣體以聲速s噴射而出時，氣球和噴射而出的物質(zhì)也是各自以s/2的速度互相遠離。
那么，是否等待燃料燒完，飛船就達到光速了呢？看來完全沒有這個必要，按照目前的態(tài)勢，只要飛船繼續(xù)燃燒四分之一的燃料，把四分之一的質(zhì)量以光速噴出，它就可以繼續(xù)增加1/2的光速，從而使得自己的速度達到光速。同樣，氣球只需要繼續(xù)以聲速噴出四分之一的氣體，它自己的速度也就能達到聲速了。然而，如果我們仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)，實際情況卻并非如此：
首先，從氣球中噴出的氣體速度逐漸降低，已經(jīng)不能繼續(xù)以聲速噴發(fā)了；雖然飛船噴發(fā)的物質(zhì)速度沒有降低多少，然而，飛船自身的質(zhì)量似乎增加了很多，甚至質(zhì)量的增量已經(jīng)超過其燃料減少的量。因此飛船的速度同樣無法達到光速，這又是為什么呢？
接下來，我們首先分析氣球的情況，氣球為什么可以往前飛呢？從宏觀角度來看，由于氣球內(nèi)部的氣壓高于外部氣壓，氦氣就在壓強差的作用下泄露出來，而由于氣球整體沒有受到外力的作用，如果有氣體從氣球的噴口出向外噴出，那么氣球就應(yīng)該向相反的方向運動。隨著氣球中氣體不斷外泄，氣球的體積就會逐漸減小，接下來我們再從微觀的角度分析：
眾所周知，氣球內(nèi)部的之所以會產(chǎn)生壓強，并不是因為氣體分子之間存在斥力，而是因為每一個氣體分子都處于高速且無規(guī)則的運動之中，不僅氣體分子之間存在相互碰撞，而且氣體分子和容器之間也會相互碰撞，這就使得氣球外壁感受到了擠壓。在理想條件下：氣球之內(nèi)沒有任何能量來源，氣球表面被拉伸的一點彈性勢能完全可以忽略，它僅僅可以被視為維持氣壓的必要條件。因此，氣球整體運動的動能全部來源于每一個氣體分子運動的動能。
同時我們也知道，氣球內(nèi)部的大量分子完全處于無規(guī)則的運動之中，它們向任何方向運動的概率完全相等，因此，如果氣球沒有噴口的話，這些氣體分子撞擊氣球內(nèi)壁每一個位置的幾率也是完全相同的，所以當不打開噴氣口時，氣球整體處于靜止狀態(tài)，不會發(fā)生向任何方向的移動。
當我們打開氣球的噴口后，由于氣球后壁上存在一個缺口，當氣體分子撞擊到噴口這個位置的時候，直接就可以從噴口處飛出，而氣球的前壁上沒有噴口，氣體分子撞到前壁的對應(yīng)位置時，卻會被前壁彈回氣球內(nèi)部。如圖10-5所示：由于前壁的面積大于后壁，因此氣體分子撞擊前壁的概率就大于后壁，于是在大量分子的撞擊下，氣球就可以緩緩的前行了。
值得注意的是，盡管氣球整體獲得了一個向前的速度，但是氣球和球內(nèi)氣體分子的整體能量并不會改變，它只是把一部分微觀層面無規(guī)則運動的內(nèi)能，變成了氣球整體運動的動能而已，換句話說，那些從氣球的噴口出飛出氣球的氣體分子，并沒有把它們的動能無條件的傳遞給氣球，每一個氣體分子的動能仍然屬于自己。導(dǎo)致氣球整體前進的是那些撞擊在氣球前壁上的分子，而這些分子由于和氣球的運動方向相同，暫時還處于氣球內(nèi)部。我們不妨假設(shè)氣球內(nèi)這些氣體分子原有的平均速度是v0，當氣球以速度v運動起來以后，氣球內(nèi)部的分子現(xiàn)有的平均速度是v1，氣球整體質(zhì)量為m，根據(jù)能量守恒定律可知：
上式表明，隨著氣球整體運動速度的提升，球內(nèi)氣體分
子的平均速度v1在不斷降低。因此這些分子離開氣球噴口的速度當然也就會不斷降低，于是，我們才會看到氣球噴出氣體的速度不斷減慢。然而，如果我們此時站在氣球內(nèi)部觀察，并按照氣球內(nèi)部的運動規(guī)律計時的話，就會發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：
隨著氣體不斷外泄，氣球的體積也會不斷減少，在此過程中，如果我們假設(shè)氣球的密度不變，也就意味著每個氣體分子之間的平均距離保持不變。如果我們要在氣球內(nèi)部搞一個計時系統(tǒng)，能夠用到的計時方式也就是氣體分子之間的平均碰撞周期。顯然，這一周期取決于分子之間的平均距離以及氣體分子的平均速度。由于分子的平均距離不變，而氣體分子的平均速度卻在減小，所以，氣球內(nèi)部的計時系統(tǒng)會隨著氣球整體速度的增加而變慢。我們假設(shè)氣球內(nèi)部的分子平均距離是l，初始狀態(tài)下氣體來回碰撞一個周期的平均時間為t，在氣球運動后氣體碰撞周期變?yōu)?i>t’，則有：
怎么樣，上面的公式是不是非常親切呢？我們只需要把
v0變成光速c，得到的就是飛船時間變慢的公式。對于這種現(xiàn)象，我們可以有三種解釋：一是認為氣球噴出的氣體減速了；二是認為氣球內(nèi)部的時鐘變慢了；三是認為氣球的質(zhì)量隨著速度而增加了。從表面上看，這三種解釋說法各異，但在本質(zhì)上卻是完全等價的。
綜合上述原因不難發(fā)現(xiàn)：氣球的運動速度不可能超過分子初始時的平均速度v0，這個速度大約和聲速處在同一量級。如圖10-6所示：假設(shè)到最后的某一時刻，氣球內(nèi)的氣體幾乎全部噴出，球內(nèi)就剩下一個氣體分子了，那么由于氣球球皮的速度已經(jīng)達到速度v0，球皮內(nèi)僅存的這個分子的速度也是v0，于是這個分子就和氣球球皮相對靜止，球內(nèi)氣體的無規(guī)則運動也就完全停止了。
對此，我們還可以換一個角度考慮：如果我們忽略氣球球皮的質(zhì)量，站在這個僅存在球皮內(nèi)的氣體分子的立場上考慮一下就更容易理解了，盡管我們在出發(fā)前為氣球充入了大量的氣體作為氣球的動力來源。但是，我們充入的這些氣體分子中，有沒有任何一個分子曾經(jīng)幫助過目前球內(nèi)僅存的這個分子呢？沒有！因為氣體分子的質(zhì)量是相同的，根據(jù)動量守恒原理，質(zhì)量相同的兩個物體在碰撞的時候，只會發(fā)生速度方向的改變，而不會發(fā)生速度大小的增減，所以沒有任何一個被噴出球外的氣體分子曾經(jīng)把自己的動能無償交給殘存于球皮內(nèi)的這個分子。反過來想，如果我們只是在氣球內(nèi)放置一個氣體分子，在忽略氣球球皮質(zhì)量的條件下，這個分子同樣可以推動整個氣球以v0的速度前進。是啊，如果每個分子的速度都不大于v0，那么誰又會有能力通過碰撞球皮，使得球皮的速度超過v0呢？
以上就是氣球的最高速度只能達到聲速的原因，而飛船的速度不能超過光速的原因幾乎完全一致。當飛船高速運動起來以后，從地球上看到的場景如下：首先是飛船的內(nèi)部時間變慢了，其次是飛船噴射出的物質(zhì)的速度減慢了，最后是飛船的慣性也增加了，于是飛船的加速效果越來越不明顯，不但無法超越光速，而且始終無法達到光速。如果說氣球運動的總能量來自于氣球內(nèi)部的以聲速運動的氣體分子，那么核動力飛船運動的總能量就來自于物質(zhì)內(nèi)部的以光速運動的基本粒子。
按照相對論的理解：質(zhì)量是能量在空間中打出的繩結(jié)，能量是質(zhì)量在時間中舞動的飄帶。目前我們能接觸到的所有物質(zhì)都是由基本粒子組成的，而所有的基本粒子，又是來源于宇宙大爆炸的一瞬間，巨大的能量場把時空壓縮扭曲成一個一個的死結(jié)，于是能量以質(zhì)量的形式存在下來，不至于太快的消散。它們先是被強相互作用束縛在原子核內(nèi)，接著被電磁作用約束在了大大小小的原子分子內(nèi)部。直到整個宇宙被擴張到百億光年的尺度，宇宙空間中各處的平均質(zhì)量、平均能量已經(jīng)非常稀薄的時候，時空的繩結(jié)才在弱相互作用下慢慢解開，于是凝結(jié)的質(zhì)量瞬間消失，回歸到靈動的能量態(tài)。
當我們以核動力在推動星際飛船的時候，其實就是在以弱相互作用瓦解強相互作用對氘原子內(nèi)能量的束縛，當部分物質(zhì)的質(zhì)量態(tài)回歸能量態(tài)以后，就會釋放出大量的光和熱，在光和熱的電磁作用下，由氘原子聚變而成的氦原子被噴射而出，從而推動飛船前進。同時，我們必須明白，雖然核聚變的能量非常大，但氦原子是不可能以光速被噴出的，因為氘原子中的質(zhì)量并沒有全部轉(zhuǎn)化成能量，只是轉(zhuǎn)換了其中的一部分，因此氦原子運動的最高速度也達不到光速的量級。
最后，可能有人會提出這樣的問題，也許飛船不能達到光速只是因為我們讓飛船自己攜帶燃料飛行，如果我們從地球上主動發(fā)送給它一些能量呢？同樣不行！因為我們發(fā)送能量的最高速度也是光速。以光速去撞擊一個物體，使其加速，所能達到的最高速度也只能是光速。反過來想，假設(shè)這個物體自身的運動速度居然能夠超過光速，那么也就意味著我們從地球發(fā)射的能量都追不上它，如此一來又如何給它補充能量呢？
當然，如果我們通過激光束連續(xù)不斷的推動飛船，飛船的確會不斷加速，從而不斷接近光速。最終，在相對論的作用下，當飛船無限接近光速時，飛船內(nèi)部的時間會降低到無窮慢，飛船噴射的物質(zhì)能量降低到無窮小，而飛船的慣性質(zhì)量將提升到無窮大。同時，飛船還將因為尺短現(xiàn)象，使得運動方向上的距離看起來會無窮小。最終我們看起來的情況是：飛船就像遭受了“二向箔”的降維打擊，被自己的速度壓成了一張似乎處于絕對靜止的薄片，成為飄在太空中的一副質(zhì)量巨大的平面畫，反過來，如果我們站在這艘飛船上回望，也會發(fā)現(xiàn)地球甚至整個可視的宇宙空間也變成了一張靜止的平面畫。因此，即使物體的速度能夠接近光速，我們看到的場景是非常恐怖的。
最后，再讓我們大開腦洞假設(shè)一下，如果某個物體的速度遠遠超過了光速，又會發(fā)生怎樣的現(xiàn)象呢？現(xiàn)在，假設(shè)我們眼前有一枚雞蛋，有一個超光速的子彈自左向右擊穿它，那么，在此過程中我們會發(fā)現(xiàn)什么呢？如圖10-7所示：我們會首先發(fā)現(xiàn)雞蛋被打碎，而后看到有兩枚子彈分別從雞蛋的左右兩端冒出來，從雞蛋右側(cè)的鉆出的子彈保持頭部向前的姿態(tài)以光速向右飛去，而從左側(cè)冒出的子彈則保持尾部朝前的姿態(tài)同樣以光速向左退去！這一場景看起來完全不像是雞蛋被一顆子彈打碎了，而像是雞蛋這個基本粒子碎裂為了正負兩顆子彈，而后這兩顆子彈又以光速湮滅了。
為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢？因為在子彈的飛行的路徑上，雞蛋距離我們的眼睛最近，又因為子彈的速度遠遠大于光速，所以我們不可能在它飛過最近的位置之前看到它，必須要等到子彈飛到自己眼前才能看到，之后才陸續(xù)收到它飛過其他位置的信號。而一旦我們發(fā)現(xiàn)雞蛋破碎發(fā)生在子彈穿過以前，我們的世界觀就會徹底崩塌。
在我們看來，整個世界是受因果律控制的，不同的原因會導(dǎo)致不同結(jié)果，因此原因一定要發(fā)生在結(jié)果之前，因為子彈穿過是雞蛋破碎的原因，因此子彈穿過一定要發(fā)生在雞蛋破碎前。反過來，如果雞蛋破碎發(fā)生在子彈經(jīng)過以前，那么雞蛋破碎翻到成為了子彈穿過的原因。這在邏輯上叫做因果倒置。而且我們會發(fā)現(xiàn)，子彈在雞蛋中無中生有的出現(xiàn)，又會莫名其妙的消失，于是，整個世界就會立刻陷入混亂無序的狀態(tài)之中。所以光速最大絕不僅僅是一種物理現(xiàn)象和自然規(guī)律，它同樣影響著我們的哲學(xué)觀和世界觀，影響著整個人類知識大廈的基礎(chǔ)。
對人類而言，光不僅點亮了這個世界，而且還保障了整個世界有序的運行。最后，我們應(yīng)該達成這樣的共識：光速最大原理不是人類認識世界不足表現(xiàn)出的卑微和怯懦，相反它正是人類在取得對這個世界的透徹認識后表現(xiàn)出的自信與勇敢！
