为什么物体的速度无法超过光速？光又为什么能达到光速？

在上一篇文章《两艘飞船接近光速相对飞行，它们的相对速度会超过光速么？》里，我否定了试图通过相对速度绕过光速这个门槛的想法，你两个物体的运动速度再怎么快，再怎么无限毕竟光速，你们的相对运动速度还是无法超过光速。

这个问题是搞清楚了，但是没想到有些读者对这个问题的假设产生了疑问：为什么我单个物体的运动速度永远无法达到光速？为什么偏偏光速是所有物体运动速度的上限呢？牛顿第二定律不是告诉我们：只要我们提供一个恒力，物体就能产生一个恒定的加速度么？我慢慢加速慢慢加速，按道理总有一个时候会超过光速的啊？

还有些刚学完了高中物理的一些知识，得到了一些速度的公式。比如，老师说自由落体的速度公式是：V=gt。这个g是重力加速度，那么我假设物体从一个非常远的地方做自由落体运动，假设在太空里没有摩擦力，那么一定时间之后速度会不会就达到光速了呢？

首先呢，肯这样去想问题肯定是值得鼓励的，不管你想的是对是错，还是有多荒谬。对问题感兴趣，肯动脑子就是好的。

然后，我们在慢慢接触相对论的时候，一定要慢慢学着转换思维。在相对论里，很多事情都变得不再跟牛顿力学里面一样，或者说，当物体的速度慢慢接近光速的时候，这些差异将会迅速被放大到无法再被忽略。

回到问题

我们先来看看上面的问题，那个试图用无限自由落体加速到光速的漏洞是比较大的。因为我们在高中之所以能用V=gt来算自由落体的速度，是因为我们的实验都在地球表面，或者说很低的地方，这样重力加速度g可以看做是一个不变的量。其实，物体做所谓的自由落体运动，本质上是在地球的引力下做加速运动，这个加速度完全是靠地球的引力提供的，而我们也知道地球引力会随着距离的增大而减小，你要让它从很高的地方落下来，搞不好都已经脱离地心引力了，加速度直接没了。

那有人说我假设不在地球里，而是另外一个非常大的星球，那么它的引力应该可以提供非常大的范围吧？那高度足够了总可以吧？

其实，个问题的本质就跟之前那个同学说根据牛顿第二定律F=ma，只要有外力就有加速度，那么我慢慢加速总能把物体的速度加速到光速一样。只不过自由落体运动的时候提供外力的是星球的引力，你不用搞得那么复杂，去弄很多条件让它自由落体，可以直接假设一直有一个恒力（引力也好，自己提供燃料动力也好）让物体加速，然后准备好西瓜板凳啤酒瓜子，坐等它的速度慢慢加到光速。

可是，你真的能等到这一刻么？

惯性质量的问题

不知道大家对上一篇文章里的合速度公式还有没有印象：

这次我么只稍微关注它分母的一个特点：它永远比1大，而且速度越大比的大的越多。

这意味着什么呢？这意味这这个合速度的值永远比分子（直接叠加的速度）要小，这就是说在牛顿力学里，如果我给物体一个力F让物体的速度从V1加速到V1+V2，你以为加速到了这个值，但是实际上它加速到的速度比V1+V2要小。

也就是说，改变这个物体的运动状态比想象的要难一些，改变物体运动状态的难易程度就叫惯性，衡量惯性的唯一量度就是它的质量，这个质量我们又把它称为惯性质量。现在，改变物体运动状态变难了一点，也就是说它的惯性质量变大了。

也就是说：在相对论里，运动物体的惯性质量不是一成不变，而是会变大。（真正推理过程并不是如上面那样，上面那些写只是方便大家理解。另外，物体的质量有惯性质量和引力质量，在牛顿力学里他们只是巧合成正比，然后通过单位换算让他们相等，但是在广义相对论里，爱因斯坦认为惯性质量和引力质量是等效的，他们的相等不是巧合。）

运动物体的质量

在牛顿力学里，物体的质量是一个固定的值，是物体最基本的属性。但是在相对论里面物体的质量是会变化的，他会随着物体速度的增加而增加，这样当物体的速度越来越大的时候，物体的质量就也会越来越大，质量越大给物体加速所需要的力就越大。

相对论里运动物体的质量公式是这样的：

其中 u 表示物体的速度， m0 表示物体的静止质量， c 代表光速。

我们看到当物体的速度接近光速的时候，右边式子的分母会趋向于0，所以整个值会趋向于无穷大。也就是说当物体的速度逼近光速的时候，这个物体的质量会慢慢增加到无限大，这时候如果你还想给物体加速，所需要的力或者说能量将会变成无穷大，这显然是不可能的。

科学家们确实也证实了这些，他们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%（后面有多少个9我记不清了），反正就是无法达到光速。

大家再看看这个公式，如果物体的速度真的大于光速，那么根号里面的数值将为负数，而整个分母会出现虚数。虚数在数学里允许存在，但是在我们现在物理里暂时是没有什么意义的（或许有一天我们会发现另外一个虚世界，这个世界里光速是它们的最低速度）。

所以，任何有静止质量的物体它的速度都无法达到光速，只有像光这样静止质量为0的物体才能达到光速。所以，一开始的那些问题里，试图通过牛顿第二定律的F=ma来加速物体到光速的想法再次宣告破产，因为它成立的前提就是质量是永远不变的。而牛顿哪里又能想得到物体的质量居然会随着速度的增加而增加呢？

连我们最熟悉的质量都在变，真不知道还有啥是不变的！是啊，这就是相对论，时间、长度、质量都是相对某个参考系来说的，不同的参考系里不一样是很正常的，唯一不变的居然是光速。

“相对论真是反常识！”你吐槽到！

“放心，你绝不是一个人……”