超光速就能回到过去？

在科幻作品中，我们常常听到这样的说法：当物体以光速飞行，时间就会静止；而一旦超越光速，时间便能倒流，我们就能回到过去。这些观点通俗易懂，却也引发了一系列值得深入探讨的问题。

首先，为什么一定要超越光速才能实现时间倒流？为什么偏偏是光速，而不是其他速度与时间有着千丝万缕的联系？

在数学课上，我们学过速度的计算公式：速度等于距离除以时间，即速度与空间和时间紧密相关，速度的改变会对时间和空间产生影响。当然，这只是一种通俗的理解方式，并非本文的核心思想。

我们需要明确，速度并非绝对的，而是相对的。当我们提及某个物体的速度时，实际上默认了一个参照物的存在。例如，我们说汽车的时速为 100 公里，这里就是默认地面为参照物。只有选定了参照物，速度才有意义，否则速度便失去了存在的根基。这意味着，选择不同的参照物，物体的速度就会有所不同，速度是随时变化的。这种速度的相对性在生活中随处可见。

举个例子，你和朋友驾驶车辆以 100 公里的时速在高速公路上行驶。在你眼中，朋友是静止不动的，但对于静止在地面上的人来说，你的朋友正快速飞驰。然而，光速却显得格外特殊，它不会因为参照系的不同而发生任何改变，这就是著名的光速不变原理。

简单来说，在任何参照系下，无论处于何种运动状态观察光速，光速本身始终保持恒定。通俗来讲，光速不会与其他速度叠加。通过一个现实中的例子，你能更直观地感受到光速的独特性。假设你拿着手电筒以 50% 光速（相对地球）飞行，而我站在地面上静止不动。按照日常生活中的速度叠加原理，很容易认为手电筒发出的光的速度应该是光的速度加上你飞行的速度，即 150% 光速。但实际上并非如此，在我眼中，手电筒发出的光的飞行速度依旧是光速，而不是 150% 光速。也就是说，光速是绝对的！

此时你可能已经意识到，由于速度等于空间除以时间，三者相互关联且随时变化。如果要保持光速恒定不变，那么时间和空间这两个因素就必须无条件地相应改变来适应光速的绝对不变。这表明时间和空间并非完全独立，而是相辅相成的有机整体，也就是我们通常所说的 “时空”（四维时空），时间和空间是不可分割的。四维时空是爱因斯坦相对论的核心内容。

那么，时间和空间会如何改变以适应光速不变呢？这就涉及到时间膨胀（钟慢效应）和尺缩效应。

例如，我静止在地面上，你相对地面高速飞行，在我看来，你的时间流逝速度会变慢，你所做的一切在我眼中都是慢动作。

那为什么在现实中我们很难察觉到时间膨胀效应呢？这是因为我们平时的速度与光速相比实在太慢了，时间膨胀效应极其微弱，几乎可以忽略不计。只有当物体以接近光速（亚光速）飞行时，这种效应才会显现出来。时间膨胀效应可以通过简单的数学几何公式（初中知识即可）推导得出，尺缩效应也是如此。

时间膨胀和尺缩效应通常同时出现，可以说两者是等效的。

既然速度越快，时间流逝速度越慢，那么当速度达到光速时，时间是否就会停止呢？我们来进行一个思想实验。假设你以光速飞行，那么你将表现出类似光的性质。对于光本身而言，它不存在时间概念，光可以瞬间跨越任何浩瀚的星际距离，且不消耗任何时间。在光的视角里，根本没有空间和时间的概念。也就是说，对于光来说，时间是静止的。当然，如果你能以光速飞行，情况也是如此。但实际上，你无论如何都无法达到光速，只能尽可能地接近光速飞行。

说到这里，可能有人会产生疑问：既然光的时间是停滞的，为什么我们还说光在传播过程中需要时间呢？比如，光飞行一光年的距离需要一年时间，太阳光传播到地球大约需要 8 分钟。这是因为参照系的选择不同。前面所说的 “光的时间是停滞的” 是以光的视角来描述的，而我们平常所说的 “太阳光传播到地球需要 8 分钟” 是以人类的视角来描述的。

那么，如果能够超越光速飞行，是否就能回到过去呢？理论上，如果你能超光速飞行，确实能够追上某个物体很久以前发出的光，甚至能追上自己过去发出的光。但这并不意味着你能够真正回到过去，你只是看到了过去的某个影像而已。就好比你突然瞬移到 2200 光年之外，理论上能够看到秦始皇的影像，但你无法真正回到秦始皇所处的时代。

那么，有静质量的物体为什么无法达到甚至超越光速呢？根据爱因斯坦狭义相对论，物体的速度越大，其质量就会相应增大，当速度接近光速时，质量会趋于无穷大，这就是质增效应。此时若想继续加速，就需要无穷大的能量，而这显然是不可能实现的。

对于光速不变原理，还有一点需要强调，广义上的光速不变实际上还包含以下内容。例如，假如你我分别以 60% 光速反方向飞行，我们观测彼此的相对速度是多少呢？是 120% 光速（60% + 60%）吗？答案是否定的，你我的相对速度依旧是光速，而不会超越光速。即使我们两人的速度都无限接近光速（比如 99.99%），我们彼此间的相对速度仍然是光速。

这里就不得不提到洛伦兹变换。

在我们所处的低速世界，基本上使用伽利略变换就足够了（简单来说，就是速度叠加）。但一旦涉及到亚光速世界，伽利略变换就不再准确，需要使用更为精确的洛伦兹变换。实际上，伽利略变换是洛伦兹变换在低速世界的特例。从洛伦兹变换的公式中可以看出，当 v1 和 v2 非常小时，分母就趋近于 1，此时洛伦兹变换就等同于伽利略变换，这也进一步说明了伽利略变换是洛伦兹变换的特殊情况。

最后总结一下，虽然我们无法达到或超越光速，也无法利用速度回到过去，但大自然似乎并不完全禁止我们回到过去。广义相对论预言的虫洞有可能让我们实现 “超光速” 飞行，甚至回到过去。虫洞是连接两个不同时空结构的通道，尽管科学家目前还未找到虫洞，但从理论上来说，它是存在的。