我们勤奋的小爱已经通过光速不变这个基本原理推导出了时间膨胀、洛伦兹变换、空间收缩这三个推论，但我们的小爱没有停止他非凡大脑的思考活动，接着又从洛伦兹变换推导出了新的速度合成公式，这个公式可以解决你脑袋中可能会冒出来的若干疑惑，

比如：第一个疑惑：如果两艘宇宙飞船一艘朝东飞，一艘朝西飞，飞船的速度都达到了0.9c，那么从其中一艘飞船上的人来看另外一艘飞船，岂不是速度可以超过光速c了吗？

第二个疑惑：如果我从一艘速度达到0.9c的飞船上再发**一艘速度为0.9c的飞船（或者导弹）出去，那地面上看到的第二艘飞船（或者导弹）的速度岂不是应该超过光速c了吗？之所以还有这样的疑惑，那是因为牛顿时代建立起来的速度合成公式w = u + v，此处的w代表合成后的相对速度，在你脑海里面仍然是一个天经地义的常识，而且根深蒂固。但是牛顿的经典物理学已经在爱因斯坦的两个原理下面崩溃了，几乎所有的公式都需要修正，都需要考虑光速这个看似不搭界的东西。让我们来看一下小爱推导出的新的速度合成公式是怎样的：

看，不论你速度多快，两个速度合成最终永远也超不过一个c，哪怕两束光背道而驰，利用这个速度合成公式简单一算，也还是c，其实这都是废话，因为这个公式本身就是在光速不变的基础上推导出来的，自然得到的是c。

到此，爱因斯坦对自己的思考和得出的推论觉得比较满意了，他把抽屉里面演算用过的草稿纸都翻了出来，还好，最关键的几张都还在，没有被自己卷着烟丝当香烟抽掉（爱因斯坦有这个把草稿纸当卷烟纸的习惯，以至于他当初演算的众多草稿纸都这么白白的被卷了香烟烧掉了，从今天的眼光看来，这烧钱烧得可厉害，每张草稿纸准能在拍卖会上卖个好价钱）。爱因斯坦整理了一下自己的劳动成果：

1. 相对性原理：在任何惯性系里面，普遍的物理规律不变。

2. 光速不变原理：在任何参考系里面，光在真空中的传播速度恒为常数C

3. 同时的相对性

4. 洛伦兹变换

5. 时间膨胀

6. 空间收缩

7. 新的速度合成公式

爱因斯坦把以上这些成果写成了一篇论文，题目叫做《论运动物体的电动力学》，他把这篇论文投给了德国《物理学纪事》杂志，当时杂志的一个编辑，大物理学家普朗克（Max Planck 1858-1947），看完这篇论文，知道它的份量，只说了一句话：“牛顿物理学，崩溃了！”，这篇论文发表在1905年5月号的《物理学纪事》上。

各位读者，请特别注意，到此时“相对论”三个字还没有正式出生，更不要说本章的标题“狭义相对论”五个字了，因为本章的故事到这里还没有结束，笔者正是要牢牢抓住你的这个好奇心，放到最后再来解释为何要加上“狭义”二字。

论文虽然发表了，但是爱因斯坦心中的一个困惑始终还没有解决，总是搞得他茶饭不思，晚上做梦也总在想如果物体的运动速度超过光速会怎么样？从公式上看，会得到一个虚数，但虚数是一个数学概念，到底有没有实际的物理意义呢？爱因斯坦非常纠结，不论他怎么做思维实验，最后一遇到虚数这个数学怪兽，都会被无情地拍死。

但爱因斯坦终究是爱因斯坦，此时的他已经打通了六脉中的三脉，虽然离最终神功炼成还有10年的时间，但仅凭这三脉神剑也足够杀死这只数学怪兽了，且让我们来看一看爱因斯坦是如何用一招“质速神剑”一剑封喉的。

为了能让各位读者更好地理解爱因斯坦这神奇的一招，请让我们一起来回忆一个最基本的物理规律：动量守恒。还记得小时候我们打玻璃弹弹珠吗？如果你用你的玻璃弹珠把对方的玻璃弹珠打飞一定的距离（往往是需要至少“三拃”的距离，把大拇指和中指尽量伸开，两个指头之间的距离就是“一拃”），你就赢得了那颗打飞的弹珠。

每一个打玻璃弹珠的人都会有一个朴素的体会，那就是要把对方的弹珠打得远，自己的弹珠越重、打出的速度越快，则对方的弹珠就会飞的越远，但这里面还有些特别的技巧要掌握，首先，你最好要正对着打击对方的弹珠，如果打偏了效果就不好；其次，如果你能打出一个“旋转弹”（这需要很高超的技巧，笔者恰巧是个中高手），则这个弹珠打到对方的弹珠后，会停在原地旋转，而对方的弹珠则会滚的很远。这里面的道理就是动量守恒定律。在一个理想化的状态下，如果你的弹珠的质量是m1，弹珠出手的速度是v1，对方弹珠的质量是m2，对方弹珠被撞后的速度是v2，假设对方弹珠被撞击后，你的弹珠停在原地不动了，则符合下面的关系式：

m1v1 = m2v2

这就叫动量守恒定律，由这种最基本的动量守恒的公式我们还能得出另外一个含义相同的公式，如果有一个物体的质量是m0，以速度v0运动，在运动途中由于某种原因（比如某个定时断开的机关）突然一分为二，分成两个质量为m1和m2的物体，分开后的速度分别为v1和v2，则他们之间也要符合动量守恒定律，如果用公式写出来就是这样：

m0v0 = m1v1 + m2v2

爱因斯坦把玩着这个公式，突然想到：根据用洛伦兹变换推导出的新的速度合成公式，两个物体的合成速度不可能无限增大，会随着接近光速而递减，但是为了维持动量守恒，那唯一的可能只能是质量m的数值增大，否则动量守恒就无法满足了。爱因斯坦想到了马上就动手，他很快就利用洛伦兹变换和动量守恒定律得到了下面这样一个公式：

这个公式正是爱因斯坦解决超光速问题的神奇一招“质速神剑”，通常我们也把他叫做“质速关系式”，就是质量和速度的关系。这个公式中m0 表示物体相对于你静止时的质量，m表示以速度v运动后的质量，这次我们的老朋友 γ 位于了分母的位置，这就是说物体的速度越大， γ 就越小，物体的质量就越大。

牛顿如果地下有知，必定又一次要睁大惊恐的眼睛，暴怒道：“这个世界疯了。”在牛顿力学中，所有的定律都隐含着这样的一个前提，那就是物体的质量是不变的。我们用小球做实验，不管这个小球是在岸上还是在船上，不论是在实验室里还是在山顶上，它的质量是多少就是多少，根本不需要我们去重复地称量。现在，爱因斯坦居然告诉我们物体的质量不是恒定不变的，质量也是相对的，就跟没有什么绝对的快慢，没有什么绝对的长短一样，对不起，也没有什么绝对的质量大小。

刘慈欣（本人是标准的磁铁——刘慈欣的粉丝）在他的科幻小说神作《三体》三部曲中，描写了一个外星文明用一个玻璃弹珠大小的物体击毁了另一个外星文明的“太阳”，其中的理论正是这个质速关系式，当“玻璃弹”的速度接近光速的时候，其相对论质量就会变得无比巨大，足以击毁一颗恒星（有兴趣的读者千万记得去读一下《三体》这部神作，笔者认为这是人类历史上，到目前为止，从东方到西方最棒的科幻小说）。

我已经听见了你的嘀咕声：“喂，跑题了，你还没讲清楚为啥爱因斯坦用这个质速关系式杀死了那只数学怪兽，这个公式跟超光速到底有什么关系嘛？”抱歉，一想到《三体》就开始神游宇宙。还记得牛顿第二定律吗？物体的加速度和受到的力成正比，和质量成反比。通俗地讲，就是你要把一个物体推得运动起来，物体质量越大你要用到的力就越大，想想看，质速公式告诉我们，物体的速度越大，则质量就越大，那么要推动它加速的力就必须越大，水涨船高，速度无限接近光速，质量也会逐渐变得无穷大，那么显然要推动它继续加速的力也必须变得无穷大，对不起，无穷大的力是不存在的，谁也不可能创造无穷大的力，你就是把全宇宙的能量都集中起来，那也比无穷大要小。这就证明了没有任何有质量的运动速度能达到光速，达到都不能，别说超过了。那光本身呢？光没有质量，所以它能达到光速，同时也说明了光必须以光速运动的形式存在，只要一停下来，它就不存在了。

关于超光速的话题还没完，还要解决一些你心中的疑惑。爱因斯坦说的没有物体的运动速度能够超过光速，准确地说，是没有能量和信息的传递速度能超过光速，如果失去了这个前提，那么超光速的“东西”可就多了。比方说，你在地面上插一根棍子，然后用一支手电筒去照这根棍子，然后在棍子后面很远很远的地方（比如说在阿凡达居住的潘多拉星球上）放一个白板，理论上在这根棍子的影子就会出现在这个白板上，这时候，你把手电筒轻轻转过一个角度，那么远在潘多拉星球的影子就会迅速地移动，可以想象只要距离足够长，这个移动速度绝对超过光速了。

图4-9移动速度可以超过光速的影子

这个想法有一个很酷的名字，叫做“暗影之疾”，但是这并不违反相对论，因为首先影子并不能储存能量，所以并没有能量的传递。然后我们再来看看通过这个暗影之疾能不能传递信息呢？你可能想，如果我在棍子上用刻刀小心的刻一个空心字“喂”，然后由影子组成的这个“喂”在潘多拉星球上不就以超光速在传递吗？我非常佩服你能想到这个点子，但是这个方法真的能让潘多拉星球上的两个人超光速传递信息吗？好，那么就让我们来设想在潘多拉星球上，男主角杰克站在白板的这头，女主角站奈特莉站在白板的那头，现在杰克跟奈特莉在分手的时候约好，如果看到一个3的影子，表示我们3点开始进攻人类的基地，如果看到一个4的影子，表示我们4点开始进攻人类的基地。杰克在前方侦察完敌情，决定4点开始进攻，现在他要把这个信息传递给奈特莉，可麻烦的是，杰克必须先告诉远在地球的我赶紧把4的影子扫过去，杰克跟我之间的信息传递又遇到了光速极限，他告诉奈特莉4点进攻的消息还是无法突破光速极限。失去了能量和信息传递这个前提，要超光速还有更简单的，再比方说，你找一个晴朗的夏夜，站在满天繁星下面，脚尖点地，来个轻巧的360度大旋转，乖乖不得了，整个宇宙都在你的眼中转了一圈，这宇宙的转动速度何止光速，简直就是雷神托儿的速度，简称神速。对不起，你可以认为神速是超光速运动，但也并不违反相对论，因为没有实际的信息和能量在这个运动中传递。

总之，自从爱因斯坦得出了信息传递无法超过光速之后，有无数的聪明人设计了各种各样的思维实验，经常有人宣称自己成功地设计出了超光速信息传递的方案，可惜除了那种死不认账的自恋狂外，所有的方案都经不起推敲。直到1982年，法国人阿斯派克特（Aspect）领导了一个实验小组，成功地做了一个可能会在历史上成为第二个MM实验的特殊实验，这个实验的名称叫做EPR实验，实验结果把相对论关于光速极限的推论逼到了墙角。特别有趣的是，这个实验正是以爱因斯坦为首的三个科学家（E代表爱因斯坦，P代表波多尔斯基，R代表罗森塔尔）提出的，当时是作为一个思维实验，目的是爱因斯坦他们为了嘲笑当时出生没多久的量子理论有多荒谬，因为在这个思维实验中，按照量子理论的说法，两个基本粒子居然可以在相隔很远的距离时，在光速都来不及跑完的时间内互相知道对方的旋转状态（基本粒子就是一种比原子还要小一千万倍的某种东西，这个三言两语解释不清，好复杂的，你只要知道是个很小很小很小的东西就是了），爱因斯坦和另外两个科学家嘲笑道：“哈哈，看看，这有多荒谬，量子理论居然发明了超光速的信息传递。”这个思维实验是1935年提出来的，当时的爱因斯坦早已经是物理学界的权威了，但是当时的技术条件根本无法实现这个EPR实验。

时光飞转，时隔47年之后，爱因斯坦都过世27年之后的1982年，科学家们的实验设备终于可以达到做EPR实验的能力了，实验结果出来后震惊了全世界，被爱因斯坦称为荒谬的结果居然成了现实，量子理论和相对论的矛盾彻底激化了，EPR实验到底有没有违反相对论引发了从物理学界到民间科学家旷日持久的热烈讨论，关于这个话题我们将在第九章中还要详细说。但直到今天（2011年6月12日）为止，人类所发现的所有可能突破光速极限的实验几乎全都是（笔者可不敢说查阅了所有的资料）在亚原子（比原子还小很多很多）的尺度上的，因此，光速极限仍然是我们这个看得见摸得着的宏观世界中最可靠的一条理论.

图4-9移动速度可以超过光速的影子

时间膨胀和空间收缩一定是同时发生的。比如你坐上一个亚光速飞船飞到比邻星，地球上的人认为你飞了可能是100年，但是你自己感觉可能只有两年，这个也可以从空间收缩的角度去解释。因为你和比邻星之间的空间距离在不同的参考系是不同的。你在亚光速飞船上，所以空间对于你来说，收缩了，所以你可以很快地抵达目的地。

这个道理在我说后面讲到时空概念的时候，还会反复详细说。换句话说，时间和空间一定是同时变化的，他们是一体的，其实没有什么时间也没有什么空间，真正的只有一样：时空

爱因斯坦写出这个公式后（爱因斯坦最早的论文是用L来代表E的，这里笔者有意换了一下），拿笔在这个公式上面画了一个圈，禁不住激动的抬起头来看了我们一眼，说：“刘谦是骗人的，我这是真的。”

这就是今天无人不知、无人不晓、大名鼎鼎的质能公式。我保证这是本书出现的最后一个公式，从现在开始再不会有恼人的公式来刺激你了。

它代表了质量和能量是可以相互转换的，它解开了英国科学家卢瑟福（Rutherford 1871-1937）在前不久发现的神秘的放**性物质为何能发出巨大的能量之谜，也解开了开尔文勋爵（就是前面提到过的那个演讲中用乌云做比喻的老头）冥思苦想也想不通的太阳为何能经久不息地放出如此巨大的能量之谜。

--来自汪洁《时间的形状》

---未完待续---