什么东西没有重量却跑不到无限快，答案是这个宇宙中最常见、最基础的东西--光。没错，光没有任何质量，你称不出它的重量，你也抓不住它，它是纯粹的能量在空间中飞驰。按照常理来说，一个完全没有重量的东西应该可以瞬间出现在宇宙的任何角落才对，但诡异的事情来了，光偏偏有一个速度上限每秒大约30万公里，这个数字雷打不动，从宇宙诞生的第一秒到现在从来没有变过。你可能会说，每秒30万公里已经快得离谱了，1秒钟能绕地球7圈半呢，这还不够快？问题不在于它快不快，问题在于它为什么不能更快。
一个没有任何重量的东西凭什么要被限速，是谁给他贴的罚单，是什么力量在阻止它跑得更快。这个问题困扰了人类几百年，而它的答案彻底颠覆了我们对时间空间甚至整个宇宙的认知。从一个最基本的常识说起，在我们的日常经验里速度是可以叠加的，比如说你站在一辆时速100公里的高铁上往前扔出一个球，球离开你手的速度是每秒10米，那对于站在铁轨边上的人来说，这个球的速度是多少？很简单，高铁速度加上你扔球的速度大概就是每小时136公里左右，这太符合直觉了，小学生都能算明白。但如果你把球换成光呢？你在高铁上打开一个手电筒朝前照出去一束光，按照刚才的逻辑这束光的速度应该是光速加上高铁的速度，对吧？但实际测量的结果会让你目瞪口呆，这束光的速度还是每秒30万公里，不多不少，高铁的速度根本没有加上去。你可能觉得是不是因为高铁太慢了，加上去的那点速度可以忽略不计。
好，那我们把高铁换成火箭换成飞船，换成任何你能想象到的最快的交通工具，哪怕这个飞船本身已经在以光速的99%在飞了，它射出去的光对于外面静止的观察者来说，速度依然是每秒30万公里一点都没有增加。这就离谱了，更离谱的是反过来的情况，假如一束光朝你飞过来，而你正在用光速的99%逃跑，按照常理这束光追你的相对速度应该只剩下光速的1%，对吧。但实际上不管你跑多快，这束光追你的速度永远是每秒30万公里，不管你怎么逃，它和你之间的速度差永远是30万那个数。这彻底违背了我们的日常直觉。
光不需要介质就能传播，那光到底是什么，它凭什么能在虚空中飞行。更要命的是，如果光速相对于任何运动状态的观察者都一样，那速度叠加的基本常识去哪了，我们从小学到大的物理学还有没有效了？这个问题就象一颗定时炸弹，然后爱因斯坦出现了，1905年他发表了一篇论文叫论动体的电动力学，这篇论文彻底重写了人类对宇宙的理解。爱因斯坦的思路非常疯狂，他说既然所有实验都证明光速是恒定的，那我们就别再试图解释它了，直接把它当成一条公理接受下来。但问题是如果光速恒定，那速度叠加的常识怎么办？爱因斯坦的回答是那就让速度叠加的常识去死吧，或者更准确的说不是速度叠加错了，而是我们对时间和空间的理解从一开始就错了。在我们的直觉里时间是绝对的、空间也是绝对的，一秒就是一秒，一米就是一米，不管你在哪里，不管你动不动，这些都不会变。但爱因斯坦说不对，时间和空间是相对的，它们会随着你的运动状态而变化，当你运动的越快，你的时间就流失的越慢，你的空间就在运动方向上收缩的越短。这不是幻觉，不是心理作用，而是真实发生的事情。为了让光速保持恒定，宇宙让时间和空间本身都变得可以拉伸和收缩，这就是著名的狭义相对论。
听起来很疯狂，注意这不是科幻小说，这是被无数实验验证过的事实。最直接的证据来自一种叫做μ介子的粒子，μ介子是一种不稳定的粒子，在实验室里测量它的平均寿命只有大约2/100,0000秒，按理说它就算以接近光速飞行也跑不了多远就会衰变消失。但实际观测发现，宇宙射线中产生的μ介子从几十公里高的大气层一路飞到地面竟然还没死，为什么？因为对于高速运动的μ介子来说，时间变慢了，在它自己的参考系里它可能只过了2/100,0000秒，但在我们地面上的人看来它的寿命延长了几十倍，时间膨胀是真实的。另一个证据来自GPS卫星，GPS卫星在高速运动同时又处于比地面更弱的引力场中，这两个因素都会影响时间的流逝，如果不考虑相对论效应，GPS的定位误差每天会累积10公里以上根本没法用。正是因为GPS系统的设计中精确地加入了相对论修正，我们才能在手机上精准定位到几米的误差范围内。所以，相对论不是什么玄乎的理论，它每天都在你的手机里运行着。
说到这里你可能已经有点晕了，没关系我们先缓一缓，来思考一个更根本的问题，为什么宇宙要这样设计？为什么光速偏偏是这个数字而不是别的？为什么时间和空间要为了维护光速的恒定而自我扭曲？答案比相对论本身还要震撼，光速根本就不是光的速度。什么？这不是废话吗？光速不是光的速度是什么？你听我说完，光速准确的说是因果关系传播的最大速度，或者更直白一点，是宇宙中信息传递的极限速度。想象一下，我在北京打了一个响指，这个响指能影响到多远的地方？假设我打响指的同一瞬间一束光从我手指出发飞向四面八方，那么在任何给定的时刻这束光能到达的范围就是我这个响指能够产生影响的范围，光到不了的地方我的响指就影响不到，不管用什么手段都不行。为什么？因为任何影响的传递都需要某种信息或者能量的传输，而信息和能量的传输不可能超过光速，这不是技术限制。不是说我们造不出足够快的信号发射器，而是宇宙的基本法则。
让我换一种方式解释因果关系是什么，就是因导致果。我踢一脚球，球飞出去了，踢是因、飞是果，因在前、果在后。但在前、在后是什么意思，是时间上的先后，因必须发生在果之前，这是因果关系成立的前提。现在问题来了，如果有一个信号可以超过光速会发生什么？物理学告诉我们，超光速的信号在某些参考系里看来是会在时间中向后传播的，也就是说接收方会在发送方发出信号之前就收到它，果会先于因发生。这意味着什么？意味着你可以在彩票开奖之后把中奖号码发给开奖之前的自己，意味着你可以在车祸发生之后给车祸之前的自己发警告，意味着你可以在任何坏事发生之后回去阻止他。听起来很美好对吧，但仔细想想就会发现问题，如果你阻止了车祸，那你就不会发送那条警告信息；但如果你没发送警告车祸就会发生，你又会发送警告。这就是著名的祖父悖论的一个变体，因果关系被打成了死结，逻辑本身崩溃了。
所以，宇宙不允许任何信息超过光速传播，不是因为技术做不到，而是因为如果做到了，宇宙就会陷入逻辑混乱。光速是因果关系的守护者，而光之所以恰好以这个速度运动是因为它没有质量，所有没有质量的东西都必须以这个速度运动，不是可以而是必须。这是一个非常反直觉的结论，没有质量的东西反而更不自由，有质量的东西比如你和我可以静止、可以走路、可以跑步、可以开车、可以坐火箭，只要不到光速就行，想多快就多快、想多慢就多慢。但没有质量的东西呢？抱歉你只有一个选项就是光速，不能快一点、不能慢一点、更不能停下来。对于光子来说，静止这个概念根本不存在。你能想象吗，光子从诞生的那一瞬间起就在以光速飞驰，它不需要加速、不需要发动机，一出生就是满速而且它永远不能刹车。从某种意义上说，光子是这个宇宙中最不自由的存在，这就解释了开头那个问题：光没有质量为什么速度会受限。答案是问题本身就问错了，不是光被什么东西限制住了，而是光速是这个宇宙的基本设定，没有质量的东西必须以这个速度存在。光不是被限制在光速，光是只能存在于光速。
现在你可能还有一个疑问，这个光速的数值每秒30万公里它是怎么来的？是谁规定的这个数字？答案藏在一个你绝对想不到的地方--真空。我们通常认为真空就是什么都没有，空的、虚的、一片死寂。但物理学告诉我们，真空其实有属性，它不是真的空，它是有质地的。真空对电场有一种弹性，物理学上叫做电容率，真空对磁场有一种刚度，物理学上叫做磁导率，这两个属性是可以测量的，而且测量结果非常精确。神奇的是，如果你把这两个数字按照一个特定的公式组合起来，算出来的结果恰好就是光速，这不是巧合，1865年苏格兰物理学家麦克斯韦写下了著名的麦克斯韦方程组统一了电和磁的理论，从这组方程中他推导出电磁场可以产生波动，并且算出了这种波动传播的速度，当他把数字代入公式得出的结果是每秒大约30万公里，麦克斯韦当时惊呆了，这不就是光速吗？他立刻意识到一件事，光不是什么神秘的东西，光就是电磁波，光速就是电磁波在真空中传播的速度，而这个速度是由真空本身的电磁属性决定的。换句话说，光速这个数字是真空的出厂设置，就象声音在空气中传播的速度取决于空气的密度和弹性一样，光在真空中传播的速度取决于真空的电磁弹性。区别在于，空气可以有不同的温度和压强，所以声速会变化，但真空的属性似乎是宇宙的基本常数永远不变。这个发现意义重大它告诉我们，光速不是某种神秘力量随便设定的数字，它是由真空的物理属性自然推导出来的。
但这又带来一个更深层的问题，为什么真空要有这样的属性，为什么电容率和磁导率偏偏是这两个数字而不是别的，这个问题目前物理学还没有完整的答案，有人猜测也许在比我们已知的物理学更深层的理论中。比如弦理论或者量子引力这些常数可以被推导出来，也许他们是从某种更基本的原理中必然涌现的，也有人提出人择原理，也许存在无数个平行宇宙，每个宇宙的物理常数都不一样，只不过在大多数宇宙中物理常数的组合不允许原子存在、不允许恒星燃烧、不允许生命诞生，我们之所以在这个宇宙中讨论这个问题，恰恰是因为这个宇宙的常数恰好允许我们存在。换句话说，我们没有看到那些错误的宇宙，因为在那些宇宙里根本就没有人能去看。这听起来有点象幸存者偏差，但它确实是目前物理学前沿的一种主流猜测。不管真相是什么，有一点是确定的，如果真空的这些属性稍微变一点，整个宇宙就会完全不同。光速变快一倍或者变慢一倍看起来好象没什么大不了的，但实际上这会改变原子的结构、改变化学反应的速率、改变恒星的燃烧方式，我们所知的一切物质、一切生命都可能不复存在，宇宙的参数象是被精确调校过一样，差一点都不行，这是巧合吗？还是背后有什么更深的道理，这个问题也许是物理学的终极谜题之一。
既然光速是因果关系的极限，那有没有可能绕过这个限制实现超光速呢？物理学家们还真的认真研究过这个问题，他们想出了好几种理论上可行的方案。第一种叫筷子，一种假想的粒子，它的特点是永远比光快，就象普通粒子永远比光慢一样。筷子被困在超光速的领域里，永远降不到光速以下，从数学上说筷子是可以存在的，爱因斯坦的方程并没有禁止它。但问题是，筷子从来没有被观测到，而且更麻烦的是如果筷子存在，它会导致物理学中一系列不稳定的问题，真空会变得不稳定，能量会无中生有，整个宇宙会陷入混乱。所以，大多数物理学家认为筷子大概不存在，宇宙似乎不喜欢这种东西。
第二种叫曲速引擎，这个概念最早来自科幻小说星际迷航，但在1994年墨西哥物理学家阿库别瑞真的写了一篇论文，从广义相对论的角度分析了它的可行性。曲速引擎的原理是这样的，你不需要让飞船跑得比光快，你只需要让飞船周围的空间流动起来就行了。想象一下，你站在一个传送带上，你自己没有动但传送带在动，所以你也跟着移动了。曲速引擎就是这个原理，让飞船前面的空间收缩后面的空间膨胀，这样飞船就象冲浪一样被空间带过去。从飞船内部的角度看，飞船相对于周围的空间并没有超过光速，但从外部看，飞船确实在以超光速移动。理论上这不违反相对论，因为相对论说的是
没有任何物体可以在局部空间里超过光速，而曲速引擎绕过了这个限制，飞船在局部空间里并没有超速，是空间本身在超速。听起来很美好，但问题来了，要制造这样的空间扭曲需要一种叫负能量或者奇异物质的东西。什么是负能量？普通的物质和能量都是正的，它们让空间弯曲成特定的形状，负能量则相反，它会让空间以另一种方式弯曲。问题是我们从来没有见过大量的负能量，量子力学确实预言在某些特殊条件下，比如卡西米尔效应可以产生微量的负能量，但那点量连一只蚂蚁都推不动，更别说驱动一艘飞船了。而且就算你有了足够的负能量，还有一大堆其它问题比如曲速泡的边缘会产生致命的辐射，可能会摧毁飞船经过的一切，进入和退出曲速泡的过程可能会把飞船内的乘客撕成碎片，曲速泡一旦形成里面的人可能根本无法控制它。所以，曲速引擎目前还只是一个美好的理论，距离实现大概还需要几百年甚至几千年的技术进步。
第三种叫虫洞，虫洞的概念可能是最直观的，它就是一条时空中的捷径，连接两个相距遥远的地点。想象一下，把一张纸对折然后用笔戳穿，纸上原本相距很远的两个点现在通过这个洞直接连通了。虫洞就是类似的东西，只不过它连通的是三维空间中的两个点。爱因斯坦和他的同事罗森在1935年就从广义相对论中推导出了虫洞的数学解，所以虫洞也叫爱因斯坦罗森桥。从数学上说虫洞是完全合法的，广义相对论的方程允许它存在，但问题还是一样，要撑开一个虫洞让它保持稳定不再瞬间坍塌需要大量的负能量，没有负能量虫洞会在任何东西穿过之前就闭合。而且即使你撑开了虫洞还有另一个问题，虫洞的另一端在哪里你能控制吗？万一出口在太阳内部或者在黑洞里面，那进去就是找死。更麻烦的是，如果虫洞真的可以用来旅行，它可能同时也可以用来进行时间旅行，这就会导致刚才说过的因果悖论，宇宙可能有某种审查机制会阻止这种虫洞的形成。物理学家霍金提出过一个时序保护猜想，他认为物理定律会自动阻止任何可能导致时间旅行的情况发生，任何试图建造时间机器的尝试最终都会以某种方式失败，这个猜想还没有被证明，但也没有被否定，宇宙似乎确实在极力避免时间悖论的出现。
总结一下，目前所有的超光速方案都卡在同一个门槛上--负能量，而负能量这个东西我们不知道它是否存在、不知道如何大量产生、不知道如何控制，它可能是打开超光速大门的钥匙，也可能根本就是一个根本不存在的幻想。宇宙似乎在数学上留了一扇超光速的门，但在物理上把锁焊死了，这是宇宙的恶趣味，还是某种深刻的必然性，我们不知道。让我们回到光本身，聊一个很少有人意识到的事情--光子的主观体验，这听起来很奇怪，光子又不是人怎么会有主观体验？根据相对论，当一个物体运动得越快，它经历的时间就越慢，这叫做时间膨胀。在90%光速的时候时间大约变慢一半，在99%光速的时候时间变慢7倍左右，越接近光速时间越慢，那么当达到光速本身的时候时间完全停止，这就是光子的主观体验。从光子的角度来看，它不经历任何时间，一个光子从太阳表面发出飞行了8分钟到达地球，我们看着它飞了1亿5千万公里，但对于光子自己来说，发出的那一瞬间和到达的那一瞬间是同一个瞬间。一个光子从仙女座星系飞到地球花了250万年，但对于光子自己来说，根本就没有花了250万年这回事，在它的参考系里旅程是瞬间完成的。这就是为什么我之前说光子是这个宇宙中最不自由的存在，它不能停下来、不能慢下来、不能体验时间的流逝，从它诞生到它被吸收，在它自己看来是同一个瞬间，它存在但它不经历，这是一种什么样的存在？是存在还是不存在、是活着还是死了，这些问题对光子来说可能根本就没有意义。这也让我们从另一个角度理解了光速的特殊性，光速是时间停止的边界，在光速以下时间在流逝，存在着过去、现在和未来的区别。但在光速上时间凝固了，过去、现在、未来是同一个点。这也是为什么没有任何有质量的物体可以达到光速，因为如果达到了你的时间就停止了，你不再经历任何事情，你被冻结在那个瞬间。从外部看你可能还在运动，但从你自己的角度看宇宙已经凝固了。这种状态是存在吗？是生命吗？也许这些问题本身就没有答案。但它告诉我们一件事，光速不仅仅是一个速度的上限，它是存在状态的边界、是时间和永恒的分界线。这就是为什么光速如此特殊如此不可逾越，它不仅仅是因果关系的守护者，它还是时间本身的边界，跨越它不仅仅是跨越一个速度限制，而是跨越存在方式本身。
让我们来聊最后一个话题，这一切意味着什么？我们花了这么长时间讨论光速、讨论相对论、讨论因果关系，这些对我们普通人的生活有什么意义？我觉得最大的意义在于它改变了我们理解宇宙的方式，在爱因斯坦之前人们认为空间就是空间、时间就是时间，它们是独立的、绝对的背景板，宇宙中的一切物质在这个背景板上运动。但相对论告诉我们，空间和时间不是背景板，它们本身就是宇宙的一部分，它们可以弯曲、可以拉伸、可以和物质相互作用，更重要的是它们是统一的，空间和时间不是两个东西，而是一个东西的两个方面：时空。而光速就是连接这两个方面的桥梁，它是把空间的m和时间的s联系起来的转换因子，这就是为什么光速的单位是m/s ，它告诉我们，多少米的空间等价于多少秒的时间。在这个意义上，光速不仅仅是一个物理常数，它是宇宙的汇率、是时间和空间兑换的比例，这也是为什么光速会出现在物理学的几乎每一个角落，从电磁学到引力、从量子力学到宇宙学。它不是某个特定现象的特征，而是时空本身的特征。另一个意义是它改变了我们理解看见的方式，当你仰望星空的时候，你看到的不是宇宙现在的样子，而是宇宙过去的样子，你看到的太阳是8分钟前的太阳，你看到的最近的恒星比邻星是4年前的比邻星，你看到的仙女座星系是250万年前的仙女座星系。如果你用足够强大的望远镜，你甚至可以看到138亿年前的宇宙，那就是宇宙，微波、背景辐射是宇宙诞生后留下的余温。在某种意义上，光速让整个宇宙变成了一台时间机器，你看得越远你看到的就越古老，这是人类认识宇宙的根本方式。我们不是在观察一个静态的宇宙，我们是在观察宇宙的历史，每一束光都是一封来自过去的信，携带着它出发时那个地方、那个时刻的信息，这是多么神奇的事情啊！
但它也意味着一个残酷的事实，我们永远无法知道现在的宇宙是什么样子，当你说现在的时候你指的是什么？是此时此刻，但此时此刻是一个只对你有意义的概念，对于仙女座星系的居民来说，他们的此时此刻和你的完全不同。相对论告诉我们，同时不是一个绝对的概念，对于不同运动状态的观察者来说，什么是同时发生的事情是不一样的，这意味着不存在一个宇宙范围内统一的现在，每个地方都有自己的现在，它们无法被整合成一个统一的时刻。这是一个非常反直觉的概念，但它是相对论的必然推论，宇宙不是一个统一的舞台，大家在上面同步演出。宇宙更象是一场超级复杂的分布式演出，每个地方都有自己的剧本，它们通过光速连接起来但永远不会真正同步。
最后，我想说一件关于光速的最深刻的事情，光速之所以是这个数字，之所以是宇宙的速度上限，是因为它保护着一件对于宇宙来说至关重要的东西--因果关系。如果没有光速限制，因果关系就会崩溃，原因可以出现在结果之后，未来可以影响过去，逻辑和理性将不复存在，在这样的宇宙里不可能有科学、不可能有预测、不可能有任何稳定的知识，某种意义上，光速是宇宙保持可理解的代价。我们经常抱怨光速太慢了，想象一下，如果光速无限大，我们可以瞬间到达宇宙的任何角落，我们可以及时通信，星际旅行将不再是梦想，但如果光速真的无限大，宇宙将会变得完全不同，因果关系将会崩溃，时间将会失去意义，历史将会变成一团乱麻。更重要的是，如果光速无限大，我们可能根本就不会存在，因为正是光速的有限才让宇宙有了空间结构，正是信息传递需要时间才让宇宙有了深度和广度，正是因果关系的存在才让复杂的结构从原子到分子、从细胞到生命、从大脑到意识得以涌现。光速的有限不是宇宙的缺陷，而是宇宙能够产生我们的前提条件，这是一个非常深刻的洞见，当你下次看到一束光的时候，不妨这样想，那不仅仅是一束光，那是宇宙因果律的使者、那是时间和空间交织的见证者、那是让你能够存在、能够思考、能够问出为什么的根本保障。它没有质量却承载着整个宇宙的秩序，它不能停止因为停止就意味着存在的终结，它不能更快因为更快就意味着逻辑的崩溃，它就是光。
下次当有人问你光没有质量为什么速度会受限的时候，你可以自信的告诉他，问题问错了，不是光被限制在光速，而是光只能存在于光速，光速不是光的特权，而是没有质量的诅咒，光速不是某个粒子的属性，而是宇宙本身的结构。
