只用28年时间，就能飞到200万光年外吗？
关于能否超光速的这个问题：一个简短的回答是不能超光速，物体的惯性速度不能超过光速（详细见我们之前的文章《为什么光速无法超越？》），这意味着如果你测量一个经过你旁边的物体的速度，它将永远小于光速；而详细的回答是“这是很复杂的”。
之所以很复杂是因为我们倾向于认为速度是物体在某种绝对、普遍的参考系中的运动。在我们每天的经验中，这很贴切。然而，在更一般情况下，这是行不通的。一方面，运动是相对的，所以一个物体的“速度”取决于是谁在测量它。在接近光速的速度，狭义相对论也开始发挥作用，从而导致诸如时间膨胀及长度收缩等奇怪的事情。
为了说明这一点，假设我们有一枚火箭能以恒定1g的加速度持续加速。这将意味着这枚火箭的乘客将能体验到他们在在地球上所感觉的相同“重量”。假设利用这枚火箭飞往另一颗恒星，旅程是这样子的：我们从初速度为零开始，一直以恒定1g的加速度朝着这颗恒星飞去，直至行程的一般；然后以同样大小的减速度反向减速，直至到达旅程的终点，最终速度减为零。
比邻星实际上是属于一个三恒星系统
半人马座阿尔法星（比邻星）是距离我们最近的恒星系统，这个距离为4.3光年。从地球上看，这枚火箭的旅程需要花费5.8年的时间。在半程时，火箭将达到最高速度为0.948c，或略低于光速的95%（c为光速的符号）。但对于火箭上的乘客而言，这趟旅程只花费了3.56年的时间。这就意味着在他们看来，他们花了3.56年的时间飞行了4.3光年的距离，这个平均速度超过了光速的1.2倍！
如果我们也这样去Gliese 876这颗恒星（是一颗红矮星，距离地球15.3光年，目前已发现拥有四颗行星）走一趟，事情将会变得更离奇。从地球上看，这枚火箭将花费16.7年的时间到达Gliese 876，并且最高速度达到0.993c。然而，对于火箭上的乘客而言，此行只需要5.6年的时间，所以他们感知到的平均速度为2.7c。
我们以火箭乘客的出行时间作为他们行程距离的函数绘制出关系图。从上图中可以看到，他们走的更远，这种效应就越显著。举个极端例子，火箭上的乘客用在他们看来仅28年的时间就能前往200万光年之外的仙女座星系。
那么这到底是怎么回事呢？有一件事对于所有的观测者而言是一致的，那就是光速（在真空中）。地球上的实验室和以接近光速运动的火箭上的实验室都会测得相同光速的唯一可能，就是因为时间和距离是基于各自观测者而言的。换言之，空间和时间是相对的。
随着火箭速度的增加，地球上的观测者会看到这些乘客的时间正在放缓。因此，对于地球观测者而言，前往Gliese 876需要16.7年的时间，而火箭乘客时间的放缓意味着他们只过了5.6年。从乘客的角度来看，地球和目的地之间的距离随着他们速度的增加似乎缩短了。在旅程的任何一刻，他们仍然会测得火箭的速度小于光速，而只是地球和目的地越快速相对于他们移动，他们的距离似乎就越缩短。
如果火箭飞向猎户座，根据多普勒效应，这就是在不同速度下所会看到的景象
很显然，这样的火箭目前在现实中是不存在的，所以你可能会倾向于认为这些都只是猜测，但这些效应已经在小范围内观察到了。事实上，在手机中的全球定位系统就需要校正这些相对论效应才能正常工作，否则会产生巨大误差。
所有这一切的结果就是因为“速度”、“距离”和“时间”是基于不同参考系的观测者而言的，而它们会因为所有观测者测量到相同的光速而发生改变。
当然，如果在这个讨论中再加入引力，事情还会变得更有趣。我们下篇文章再详谈。
- 发表于 2016-07-28 00:00
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