为什么说速度超过光速能回到过去

速度超过光速，时间将会倒流（回到过去）。这里需要注意两个要素，第一个是“超过”，第二个是“光速”。因此问题的重点在于：要回到过去，为什么速度一定要“超过”光速，以及，为什么要超过的速度是“光速”？

我们知道，速度=距离/时长。“距离”是对空间的度量，“时长”是时间中的一段，因此速度的公式也可以被替换作：速度=空间/时间。也就是说：速度是一个与“空间”和“时间”都直接相关的量，它的变化会影响到空间和时间。

另外，“速度”是一个“相对量”（relative），而非一个“绝对量”（absolute）。通俗地说，一个物体的速度，只有在与其它物体的速度“相对”时，才有意义。举个例子，我们平时说，一辆车的速度是20公里，其实指的是这辆车相对于一个静止的物体（路面）的速度是20公里。在承认车速相对于路面的速度为20公里的同时，我们默认了路面的速度为0。而且，也只有在把路面视为“不动”的情况下，我们才可以放心地称，车的速度是20公里；如果车是在航空母舰上行驶，同时，航母也在航行，那么相对于静止的水面，车速可能就不是原来的20公里了。

由于速度是相对的，所以它是可以变化的。举个例子：两军交战。我军士兵向远处的敌军士兵投掷了一枚手雷，敌军士兵见状，拼命地向后逃跑；假设手雷的飞行速度是5米/秒，而且在空中一直保持着这个速度，敌军士兵向后逃跑的速度是4米/秒。现在，手雷接近敌军士兵的速度变成了：5-4=1米/秒。我们发现，手雷飞向（相对于）敌军士兵的速度，由于敌军士兵的同向运动而减小了。如果有敌人向手雷迎面跑去，那么手雷接近他的速度就是手雷的速度与敌人速度的和，9米/每秒；我们在日常生活中所见的一切速度都像这样，是可加可减，可以相对而变化的。

怪异的是，光速却不是这样。

光速总是一个定值，从来不会改变。当人跑向一个物体时，该物体接近人的速度就会比人不动时要快，但是光接近你的速度永远是一定的，不管你是向着光跑，还是背着光跑；这一点可以用一个实验来证明：一辆开着大灯的车停在路上，前方的光速检测设备测定灯光的光速为：299792458米/秒。这时，车开始以20米/秒的速度向前开。我们凭直觉来想，光速肯定会变为：299792458+20=299792478米/秒，因为大灯是在移动的车上发光的，车速必将给光速一个额外的“推动”。然而真实情况却不是这样。无论车以多快的速度移动，光速一直都保持着299792458米/秒，永恒不变。

• 光速是精准的299792458米/秒，不是近似值。这是因为国际上把“米”的含义定义为了：光在1/299792458秒内于真空中行进的距离。因此“米”和“光速”是“互证”的，以消灭计算误差。

由于“光速不变”的这个独特性质，物理学上将“光速”视为一个“普适常量”（universal constant）。光的速度不会因任何物体的相对运动而改变。通俗地讲，光的速度对于任何人来说都是一样的。

问题就出在这里。

需要清楚的是，“速度”的本质是一个物体在单位时间内于空间中的位移。爱因斯坦对此提出了一个惊人的理论：要保持光速不变，一个物体在运动（拥有速度）时，它的空间和时间就不可能保持不变，必须相对地作出调整。这意味着什么呢？

在日常生活中，我们见到的速度都很慢，离光速还差得远，所以我们几乎感受不到“光速不变”对空间和时间所带来的影响。但是不妨想象，如果汽车能够以接近光速的速度移动，情况将变得十分明显：作为一个站在路边的人，你将看到车的长度沿着它运动的方向缩短了，而且车内的时间流动变得很慢。路边的人如果能听到车里人的手表的滴答声，这种声音应该相当慢；如果你坐在车里的话，将不会感觉到你的时间有任何变化，手表很正常，但是当你望向窗外，会发现路边的楼房等等景物正在剧烈地扭曲。时间和空间的这种相对调整维持了光速的绝对一定（对以任何速度运动的任何人来说）。

《星球大战》中，“千年隼”号飞船在接近光速的一瞬间时，窗外景观的变化。虽然是科幻，但是应该可以帮助理解。物理学上把空间针对运动中的物体所做出的调整称作“洛伦兹变换”（Lorentz transformation）。

光速不变，空间和时间就要相对变化，一起因物体的运动而精确调整。可以想象，如果没有这种“保护性”的调整，那么我们每个人眼中的光速都是各不相同的。因此，既然空间和时间一直是一起调整的，也就可以说：空间和时间从来都不是两个独立的事物，而是一同运作，相对变化的一个单体四维结构，称作“时空”（space-time）。这就是“狭义相对论”的根基。

明白了这些，我们可以做出结论：速度低于光速，时间的流速会减慢。当物体处于运动状态时，时间变慢，这种现象被称作“时间膨胀”（time dilation）。它的成因可以用一个类似的例子来说明：从上海去北京，我们可以一直朝北走，也可以先去新疆，再绕到北京。但是用相同的速度，第二种走法显然会花掉更多的时间，因为我们在去新疆的时候，把向正北方的速度分割给了西方一部分，因此真正朝着北京的速度就不如第一种方法的快；空间和时间也一样，可以把它们想象成正西方和正北方。我们呆立不动时，虽然没有在空间上移动，但是每时每刻都在时间上“移动”。一旦我们（在空间上）动起来，那么我们在时间上的“速度”就必须分割给空间一部分，时间就慢了下来。A相对于B运动，A的速度越快，在B看来，A的时间就越慢。

像这样，如果一个低于光速的速度可以让时间减慢的话，那么一个等同于光速的速度会对时间造成什么影响呢？最有可能的答案是：速度等于光速，时间会停止。可以想象，如果你此刻正在以光速运动，那么你就会像光一样。以光的角度来看，从一点运动到另一点不会消耗时间，或者说没有时间可以消耗，因为你独立于参考系之外，没有时间和空间的概念，时空不会因你的运动而做出调整；这样一来，以光速运动者的时间，与另一个用来参考的时间之间就没有了可比性（或者说，无法找出差别），因此等同于是停滞的。A以光速运动，它的时间不流逝。（* 后面会用数学方法再次解释。）

现在，似乎终于有充分的理由可以做出假设：速度超过光速，时间将会倒流。如果单个物体的运动速度超过光速，那么在某些观察者看来，它的运动确实有可能是逆向于时间的。然而，这个说法存在着一个根本性的问题：物体的速度可以超过光速吗？

• 下面的内容可能需要初中数学知识。
  
  “洛伦兹因子”（Lorenz factor）是通过相对论公式计算出的一个数值，跟物体的速度有关。如上图，在速度（横轴）达到90%的光速c时，因子（纵轴）为约2.294。它的实际意义在于：1. 物体的质量相当于变成了原来的2.294倍，再继续加速的难度陡然增加。2. 物体的长度缩短了2.294倍。3. 物体的1年时间相当于静止的观察者的2.294年。

• 公式如下：
  
  请注意图像的特点，当速度快要接近光速c的时候，因子（加速的难度）突然大幅度上升，趋近于无穷大，但速度却永远也达不到光速。这意味着：要把一个有质量的物体加速到光速，需要无穷大的能量（来克服加速的难度），然而，“无穷大的能量”是不存在的，所以我们无法将一个有质量的物体以任何方式加速到光速。换句话说：速度无法超过光速，甚至无法达到光速，只能无限趋近。

• 上面的图像和公式也可以用来研究“速度等于光速，时间会停止”的猜测。当速度v=光速c时，公式的分母为0，因此整个公式和图像都不可被定义，时间也就失去了意义。鉴于时间代表了万物的变化，没有了时间，也就没有了变化，因此有理由称时间是停止的。

由于在理论上，物体的速度没有办法超过光速，所以“速度超过光速，时间将会倒流（回到过去）”这种说法的前提不能达成，无法再继续讨论结论的对错了。

目前，瑞士日内瓦的“大型强子对撞机”（LHC）可以用高能把粒子加速到99.999994%光速的速度。这差不多是我们加速的极限了，距离100%光速虽然只差一点儿，但是仍然遥不可及。

• 从粒子物理的角度来看，普通物体的速度无法达到或超过光速的原因是：普通物体有质量，光（光子）没有质量。质量的实质是“加速的难度”，因此一列火车要停下来，肯定比一辆小汽车困难得多（也就是，在以前进为正方向的设定下，更难获得负加速度），而要让火车开起来（获得正加速度），耗费的能量也会比汽车大得多；光子没有静止质量，因此可以以理论上宇宙中最快的速度运动。
  
  电子游戏《质量效应》（Mass Effect）系列，提供了一种别出心裁的超光速旅行方案，那就是设法把物体的质量降低到零。截图中，“质量中继”（mass relay）正负责在自身与相距很远的另一座中继之间建立起一个直线式的零质量通道，让飞船可以轻松地在其间进行远距离迁跃。

值得一提的是，近期推测存在一种特殊的亚原子粒子，称作“快子”（tachyon），运动速度超过光速，但是相关的实验证据还不充足。除此之外，再也没有其它的例子可以说明有单一物体的运动速度能被加速到快过光。

最后补充一点。即使我们无法超过光速，也并不意味着“回到过去”是不可能的，只是无法通过加速来实现而已。“虫洞”（worm hole）是“广义相对论”预言的一种连接时空上的两个点的捷径。穿过虫洞可以来到宇宙中处于不同时间和空间上的另一点。总之，虫洞的存在性无法被彻底否定，而且，通过虫洞进行时间旅行在理论上也无懈可击，不过或许实际操作是不可行的，不然为什么我们现在的世界里没有挤满了一大堆来自未来的人呢？