通俗硬核科普：为什么宇宙会将最大速度限制在光速？

核桃脆

速度是时间的快进键，而光速是时间的暂停键。当达到光速，时间静止；当超过光速，时间快退。

要理解这个问题，就一定要理解一个很重要的事实：
时空是相对的，每个人感受的时空会受速度影响而变得不一样（其实引力也会影响，但这里不讨论）这一点是理解下面所有内容的前提。
当你在无限接近光速的飞船上，飞向一光年远的星球，你的时空和观察者的时空是独立的（在公式中会是两个量：t 和 t0）。

观察者看到你飞了一年，终于到达了目的地，而你感觉只过去了几分钟，一下就到了一光年远的地方。
牛顿的旧时空理论认为，时空是绝对且唯一的。不管飞多快，你一个来回，跟地球上的人经历的时间应该一模一样（t=t0)。爱因斯坦告诉我们，这是错的。但这却是最符合直觉的，也是大部分人想的样子。
看到这里你可能会有两个问题：
1. 上面例子一光年，不是说好的光要走一年吗？咋一下就到了？
一年，是观察者的参考系，而你，处于接近光速的你，已经身处另一套参考系。你们感受的时空并不一样。造成这种不一样的，是速度。
2. 为什么平时我们感觉不到彼此时空的差异？
感觉不到，是因为差异极小。小到跑步的你，相对静止的别人每秒时间只慢一亿亿分之一秒。
你们所处的空间系也不一样。运动的你，引力势比静止的人大。但在远小于光速的情况下你都察觉不到这些差异。
理解了上面这些，下面就讲速度与时间的关系：
把时间拉长，如果你在无限接近光速的飞船里过完一生呢？
最劲爆的回答是：你可能过不完这一生了……
因为还没等你过完一生，宇宙就已经毁灭了。

在你无限接近光速的一生中，外面的世界可能过去了百亿年（其实远不止，后面会讲）。
另一个劲爆的问题：如果光子有意识的话，宇宙对它来说是什么感觉？
答案是，它没有时间概念，没有之前和过去，它的时间在我们看来是「暂停」的，它更没有宇宙创生的感知，因为创生这个定义本身就基于时间。
所以，如果你想进行时间旅行，想看到宇宙末日的景象，最好的办法就是驾驶无限接近光速的飞船不停地飞呀飞。你可能才飞几天，地球就已经毁灭了，才飞几个月，太阳就燃烧尽了，才飞几年，宇宙就迎来热寂了，才飞十年，宇宙就开始大收缩了，二十年，整个宇宙重新变成一个奇点，你也不复存在了。但整个过程你只经历了 20 年。所以：
速度是时间的快进键。快进程度，仅取决于你接近光速的程度。当达到光速，时间静止；当超过光速，时间快退。但达到和超过光速是不可能的，我们只能无限接近光速。这变相说明两个事实：
1. 我们的存在，离不开时空；
2. 不能「回到过去」，只能「回到未来」。
所以，光速和时间最确切的关系就是：光速是时间的暂停键。
所以，你策马奔腾、与人共享人世繁华其实是在按时间的快进键，只不过这个程度非常非常微弱，你完全察觉不到。但当你策马奔腾的速度越来越接近光速的时候，这个变化就明显了，可以说非常巨大。巨大到什么程度？
那么突然杀出第三个劲爆的问题：以光速运动的飞船，飞船内部的时钟显示，刚好早上 9 点整从地球出发（无加速，瞬间光速），问：到达一光年远的星球上时是几点？
答案是早上 9 点整。
飞船内部的人完全无自知地就已经到了目的地了，你以为还没出发，实际已经到了。你意识飘忽的一瞬，在没有时间的虚无里可能是永恒，可能是弹指一挥，二者没有区别。你意识空白的那一刹那，就是经历了这种永恒或一瞬的虚无。而观察者则结结实实过了一年。
这是极限情况：速度=光速。它意味着无论多远的距离，你对来说，不需要时间就能到达。这变相说明第三个事实：
3.在无限接近光速时（没达到光速），去再远的地方，都是一瞬间（纳秒级），而观察者可能经过了 100 亿年。这种接近程度越高，越倾向于不需要时间，实际所花时间就越接近零。
所以，当我们无限接近光速的时候（99.99999999999999999999999999%），哪怕去 10 万光年远的地方，耗时也是纳秒级的。而观察者，很悲催地等了你 10 万年……可以说非常望眼欲穿了。（后面有数学证明，实际情况远远比这个比例恐怖。）
星际穿越里的桥段，男主带领队员去巨浪星球，一个来回花了几十分钟，回来后，留守的老黑早已经白发苍苍，他说：「我苦苦等了你们 23 年……」
列一个公式和大家继续说明：

狭义相对论慢钟效应公式。
t 是运动参考系时间，t0 是静止参考系时间（观察者），v 是运动者速度，c 是真空光速。
可以看出四点：
1.当 v 远小于 c 时，t 几乎等于 t0，差异可以忽略不计，所以你感觉不到。这正是地球上发生的一切。牛顿时空理论体现的也就是这种情况。
2.当运动速度 v 无限接近 c 时，无论观察者 t0 多大，运动者经历的时间 t 都趋向无限小。这就是为什么天堂方一日，人间已千年。
3.当 v=c 时，无论 t0 经历多久，t=0，也就是运动者的时间静止。这不允许发生。
4.当 v>c 时，无论观察者 t0 如何，运动者的时间 t 都是个虚数，对应了空间一点。同样不允许发生。
计算一些数据，让你直观感受：
如果以光速的 99.999……%（小数点后面精确 13 个 9）飞行一光年的的距离，运动者感知所花的时间是 1.41033 秒。可见差距多么大。你在飞船里面眨了一下眼就到了。你身体细胞的新陈代谢就只是经过了这 1.41033 秒，而观察者则看你飞了一年时间。
时间对比：1 年 VS. 1.41033 秒。
那如果接近光速的 99.999……% 呢？（小数点后面 20 个 9）
那将是： 时间对比：100 万亿年 VS. 6.307 秒
也就是说：100 万亿光年的距离，你在里面感觉只飞了 6.307 秒就到了。观察者看你飞了 100 万亿年，而你在里面只过了 6.307 秒，等你到的时候，观察者早已连灰都不剩了。所以，「天下武功唯快不破」是真理啊！
所以：如果你以这个速度飞行，你大概一秒都飞不到，宇宙就灭亡了！（宇宙至今才 140 亿年历史。）
另外，针对有人质疑说，电影里时间变慢是因为黑洞，不是速度啊。是的，你很冰雪聪明。这篇我们探讨的主要是速度对时间的影响。事实上，引力造成的空间曲率变化也会将时间变慢，而这种变化同样只在引力非常巨大的时候才会很明显。而黑洞就是这类。试想这样一个画面：你漂浮在黑洞的安全区周围，看着你的同伴被引力拉向黑洞，整个过程会是怎样？
答案是：你会看到他越来越慢、越来越慢，最终静止在黑洞视界。其实他还在加速运动，只是你永远看不到。因为时间和光被禁锢在黑洞视界，所有掉进黑洞的物体，影像都会被存在视界上，成为永恒。
所以黑洞并不一团全黑，它往往有一个非常「亮」的指环，那是吸汲恒星盘的「余晖」。这个亮，不一定是可见光，而是高能辐射。（请参考霍金辐射理论，黑洞视界上能量依然可以逃逸，会有玻尔兹曼涨落的正负粒子对，一个吸入视界，一个逃逸，总量守恒。）
以上主要讲的是光速和时间。
另外解释一下对参考系的疑惑。
第一个问题就是： 以接近光速运动的人和观察者应该是一个时间感觉才对啊，观察者看他走了一年，他自己也应该感觉走了一年啊。
上文说到了，这是牛顿的旧时空理论，它的本质就是认为时空系是唯一的，每个人经历的时间感是一样的。然而这是不对的，时空系（或者惯性系）是相对且不唯一的，每一个速度不一样的物体，其时间感都是不一样的，只有当速度差异接近光速的时候，这种不一样才会非常明显，否则你几乎察觉不到。
举个例子：

这个例子其实就在你身边，GPS 定位。 卫星高速运动带来的时间变慢（其实还包括引力效应造成的时间变慢，这里不讨论），大概是每秒比地面接收站慢一千亿分之八秒，很微弱很微弱。但是，就这一千亿分之八秒的时间变慢，会让导航误差偏离 400 米左右。所以卫星的时钟都要人为调快一千亿分之八秒，也就是一年要快千分之三秒，这样你才能精确定位。
最后一个问题：

为什么有质量的物体不能达到和超过光速？
因为当物体逐渐接近光速，消耗的能量将成指数增长，且物体自身动态质量 M 会变得越来越大（参考爱因斯坦相对论方程和质能方程，这里不贴了）。如果达到光速，消耗的能量和动态质量 M 都将无穷；如果超过光速，将开始消耗负能量，而这对我们来说都是不可能的。故，无法达到和超过光速。
那么突然袭来第四个劲爆的问题：
如果一个有质量的物体真达到了光速，自身动态质量 M 也变得无穷大，会带来什么后果？
回答之前，首先你要明白的是，动态质量 M 不等于静质量，它是数学的等效，更确切地说，它其实就是能量的另一种表现（质能方程告诉我们，质量和能量其实是一回事，两种表现形式罢了）。
那么会带来什么后果呢？
答案是这个物体将具有无限的能量。它的动质量可能造成巨大的引力势阱，大到无穷。那是什么？
没错，是黑洞！
所以，宇宙从各个方面很巧妙地限制了你达到光速。巧妙得有点像设计好的一样……
那么终极劲爆问题来了：
谁设计的？
写在最后：
如果人类能实现接近光速飞行，那飞船里是不需要大型维生系统的（比如完整的生态链）。因为就算飞几光年、上百光年远也就一瞬间的事，带上小型维生系统以应对不测就行了。
所以有些科幻片的飞船里设计有大型生态链，甚至有森林，然后飞船又是光速飞行的，那就很不硬科幻了。因为曲率引擎也没有加减速的概念，更没有工质引擎的加速感，所以并不需要森林那么夸张的维生系统。去半人马座，带个士力架、一瓶农夫山泉足够跑个来回了。
可能我说的是歌者文明，三体文明另说……
好像扯远了，就到这吧！