时间膨胀效应（黑洞时间膨胀效应）

本文目录一览：

• 1、《狭义相对论》中的时间膨胀效应该怎么理解？
• 2、狭义相对论说速度达到光速，时间静止，发生时间膨胀效应，膨胀的是什么？
• 3、时间膨胀效应的理论基础
• 4、光速无法被超越，其根本原因是什么？

《狭义相对论》中的时间膨胀效应该怎么理解？

《狭义相对论》也是如此，因为在日常生活中，我们所接触的一切事物，如果利用《狭义相对论》来计算更精确，但是与我们原本的常识之间的误差，更加微不足道，除非利用更加精密的仪器，否则你要突然蹦出来一句“时间是相对的，我的时间比你走得慢”，肯定分分钟让吐沫淹死。实际上狭义相对论并非难以攀登，就是一层窗户纸，捅破了也就破了。下面我们开始捅：你无法判断船是否在动

要讲《狭义相对论》，我们就要先讲一下相对运动，很简单两张图。两个小孩在一个密闭空间里面扔球玩，没有窗户，看不到外面的世界。其中一个小孩说：“我们应该在屋子里，因为我们没有感觉到这个空间在动。”

另一个小孩子说：“不对，我们也有可能在一架匀速行驶的汽车上或者一艘匀速行驶的船上，只是我们速度恒定，并不受力（合力为零），所以我们没有推背感。”

大人说：“你俩说的都挺对，因为无论是在地球上静止的房子里，还是在地球上匀速运动的空间中，物理性质都是一样的，抛出去小球的轨迹也是一样的，除非看到外面世界，观察外面的参考物，例如：山水、楼房，才可以判断我们的状态。”——这是相对论背后的核心思想，也是为什么我感觉不到地球围绕太阳的运动或太阳系在银河系中运动的原因。

这个思想源于在比萨斜塔上扔球把亚里士多德给否了的伽利略，他说想要确定物体动没动要先找一个参照物。

人在小车上，小车开在马路上，小车对人说：“你没动”，马路对人说：“你动了”。

小女孩2m/s的速度，追前面3m/s的小男孩，问小女孩能追上吗？我们可以通过速度相加或相减得出结果。3-2=10，所以追不上，以1m/s的相对速度，越落越远。小女孩相对于地面2m/s,相对于小男孩1m/s，参考物不同速度不同。可见在不同人看来，一个简单的问题，结果是不一样滴。

爱因斯坦来了

光速不变原理

如果一切都这么简单，那我们日子也能舒舒服服的不同废那么多脑细胞。然而在十九世纪末，人们发现了一件奇怪的事情。光是一个特立独行的孩子，谁的话也不听，谁也影响不了它。它永远保持一个速度3×10^8m/s。无论是马路看来，小车看来，车上的人看来，还是小男孩，小女孩看来，它都是一个速度，它也不跟你相加或相减，一贯我行我素。

时间也是相对的

爱因斯坦知道了便说：“如果光速是绝对的，对谁来说都不变，那么我的时间就不是你的时间了”。听不懂？没关系，这次用动图翻译一下：一对双胞胎小女孩，她们都有一个“光钟”，这个光钟上下是镜子，一束光在里面弹来弹去，当光撞到底部时会发出“嘀”一声，撞到顶部会发出“嗒”一声，于是一个小女孩的光钟就这么嘀嗒嘀嗒的，在静止的地面走着。

另一个小女孩带着她的嘀嗒钟上了飞船，因为飞船是匀速的飞行，根据伽利略的相对性原理，所以无论是静止在地面上的光钟，还是飞船上的，它俩物理性质是一样的。然后地面上的小女孩就发现了一件她百思不得其解的事情，在她看来飞船上，光钟的光走的是斜线，她自己在地面上的钟却是直上直下的。

它俩走的路程却不一样，所以嘀嗒的节奏也不一样：

地面上：嘀----------嗒!

飞船上：嘀-------------------------嗒!

听声音都知道飞船上的钟走得慢。

有人肯定要说，飞船上的光子的速度，还掺杂着飞船的速度，它的速度应该快于光速（有静质量的物质无法超越光速），虽然路程长了，但速度也快了，所以嘀嗒声是一致的，应该分解一下，例如：

但是爱因斯坦说了，光速不变，光速是特立独行的，不会和任何速度叠加，光子走的路，就是靠自己的速度走的，斜线方向的速度就是纯光速3×10^8m/s，这就是光的特性。所以结论就是飞船上的时间走得慢，这种效应称为时间膨胀。您速度越快，时间就越慢，当小女孩回到地球，就会比地球上的小女孩年轻。

经常出现的疑问

是不是做飞机，做高铁我就比别人年轻？

就像我开头提到的，早期人们认为地球就是平坦的，因为在古人的视野中，所观察到的地球曲率微不足道，除非用精密仪器。我们所认为的年轻，需要达到一个很快的速度才会出现明显的年轻，下图就是运动产生影响关系。在《狭义相对论》中有一个修正因子（洛伦兹因子），是用来修正高速运动时物体的性质及时间产生的变化，当修正因子约为1时，也就是不需要修正，所以在日常生活中，由于飞机、高铁、飞船速度都远远小于光速，所以微不足道的时间变慢，我们是无法感觉到的，就像我们感觉不到地球是圆的。

时间流速慢，是否可以永生

所谓相对时间变慢，就如同你的一生，对于别人来说是一部电影，电影的时长就是你的一生，当看到高潮部分（高速运动），观察者发现你降慢了速度（时间流速慢），动作和嘀嗒钟一样迟缓，然而你的一生的长短对于自己来说还是那么长，因为电影的时长是不变的，你也可以理解为把一把格尺拉长了，虽然单位间隔变大了，但是尺子总长的示数并未改变。

地面上的女孩时间也变慢

还有很多人有这样的疑问，飞船相对地面匀速运动，地面小女孩看到船上光子走斜线，因为伽利略的相对性原理，地面也相对于船运动，那么飞船上的女孩看到地面上的光子也走的是斜线，她会发现地面的钟走得慢，它俩互相看，都发现对方走得慢，为什么飞船上小女孩回来就年轻了？

因为小女孩出发时和回来时落地时，飞船经历了加速和减速的过程，打破了相对性原理的对称性，改变了它的参照系，在飞船内部进行的加速和减速实验将表明，有些东西正在发生变化。如果要完全解释就涉及到更高阶的《广义相对论》等效原理，就是用来解决不对称的问题，由于篇幅，next time。

光速不变原理怎么来的

这个解是两个物理测量值的函数，即真空的介电常数（ε）与磁导率（μ），都是测量下的客观值，是常数，所以光速也是常数，是一个性质，是绝对的。除此外，迈克逊莫雷实验也证明了光速不变，这些都是1900年以前就证实了的事情。

狭义相对论说速度达到光速，时间静止，发生时间膨胀效应，膨胀的是什么？

时间膨胀效应，就是时间会变慢，也就是时间的流逝速度会变慢，而我们的时钟记录的，其实并不是时间的流逝速度，而是在时间流逝速度下——累积经历了多少时间。于是，时间变慢，最终就会让积累的时间变少——也就是时钟的记录信息减少，即钟慢效应。而在狭义与广义相对论中，已经明确给出了，可以产生时间膨胀效应的原因和路径，并且都经过了实验的证实。接下来，我们就会从这两个不同的理论视角，去分别解读——时间膨胀的现象和背后的原理。狭义相对论中的时间膨胀

狭义相对论指出，在惯性系中（匀速运动），速度越快时间越慢。通俗的来说，就是如果我们测量一只，匀速运动的时钟——向着我们远离或靠近都可以，就会发现运动时钟的时间变慢了，而如果我们以同样的速度和运动的时钟一起运动——产生相对静止，那么此时运动时钟的时间就不会变慢。

这里有两点需要注意：

第一，就是运动速度需要抵达光速的十之一（10%），时间膨胀效应才会比较明显，即时钟计时变慢的比较明显。（目前人类火箭的速度是光速的0.0054%）

第二，就是运动的时钟并不是“普通时钟”，而是“放射性衰变时钟”，因为放射性物质包含着一个完全确定的时间标尺——就是它的半衰期。钟慢效应可以产生时间膨胀效应的原因和路径

时间膨胀效应的理论基础

时间膨胀效应是首先在宇宙射线中观测到的。在相对论中，空间和时间的尺度随着观察者速度的改变而改变。例如，假定我们测量正向着我们运动的一只时钟所表明的时间，我们就会发现它要比另一只同我们相对静止的正常走时的时钟走得慢些。另一方面，假定我们也以这只运动时钟的速度和它一同运动，它的走时又回到十分正常。

我们不会见到普通时钟以光速向我们飞来，但是放射性衰变就像时钟，这是因为放射性物质包含着一个完全确定的时间标尺，也就是它的半衰期。当我们对向我们飞来的宇宙射线M作测量时，发现它的半衰期要比在实验室中测出的22微秒长很多。在这个意义上，从我们观察者的观点来看，M内部的时钟确实是走得慢些。时间进程拉长了，就是说时间膨胀了。

相对论（Relativity）的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择、大质量物体扭曲时空改变物体行进方向无关。狭义相对论和广义相对论的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。

狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年（爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作，在1916年初正式发表相关论文）。

由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难，即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。因此，在整个宇宙中不存在惯性观测者。爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。 　狭义相对论最著名的推论是质能公式，它说明了质量随能量的增加而增加。它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量，但它不是导致原子弹的诞生的原因。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，与有些天文观测到的现象符合。

狭义与广义相对论的分野 　传统上，在爱因斯坦刚刚提出相对论的初期，人们以所讨论的问题是否涉及非惯性参考系来作为狭义与广义相对论分类的标志。随着相对论理论的发展，这种分类方法越来越显出其缺点——参考系是跟观察者有关的，以这样一个相对的物理对象来划分物理理论，被认为较不能反映问题的本质。

一般认为，狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及引力（弯曲时空），即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题，而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学的。用相对论的语言来说，就是狭义相对论的背景时空是平直的，即四维平凡流型配以闵氏度规，其曲率张量为零，又称闵氏时空；而广义相对论的背景时空则是弯曲的，其曲率张量不为零。时间膨胀新解。 十九世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，并预言了以光速C传播的电磁波的存在。到十九世纪末，实验完全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么？它的传播速度C是对谁而言的呢？当时流行的看法是整个宇宙空间充满一种特殊物质叫做“以太”，电磁波是以太振动的传播。但人们发现，这是一个充满矛盾的理论。如果认为地球是在一个静止的以太中运动，那么根据速度叠加原理，在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样，但是实验否定了这个结论。如果认为以太被地球带着走，又明显与天文学上的一些观测结果不符。 　 迈克尔逊 莫雷 的实验示意图

1887年迈克尔逊和莫雷利用光的干涉现象进行了非常精确的测量，仍没有发现地球有相对于以太的任何运动。对此，洛仑兹(H．A．Lorentz)提出了一个假设，认为一切在以太中运动的物体都要沿运动方向收缩。由此他证明了，即使地球相对以太有运动，迈克尔逊也不可能发现它。爱因斯坦从完全不同的思路研究了这一问题。他指出，只要摒弃牛顿所确立的绝对空间和绝对时间的概念，一切困难都可以解决，根本不需要什么以太。 　（以太：由希腊学者提出，认为是光传播的介质） 经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设：

1．两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系

2．两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。

爱因斯坦发现，如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的，那么这两条假设都必须摒弃。这时，对一个钟是同时发生的事件，对另一个钟不一定是同时的，同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中，测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等。距离也有了相对性。 　如果设K坐标系中一个事件可以用三个空间坐标x、y、z和一个时间坐标t来确定，而K′坐标系中同一个事件由x′、y′、z′和t′来确定，则爱因斯坦发现，x′、y′、z′和t′可以通过一组方程由x、y、z和t求出来。两个坐标系的相对运动速度和光速c是方程的唯一参数。这个方程最早是由洛仑兹得到的，所以称为洛仑兹变换。

利用洛仑兹变换很容易证明，钟会因为运动而变慢，尺在运动时要比静止时短，速度的相加满足一个新的法则。相对性原理也被表达为一个明确的数学条件，即在洛仑兹变换下，带撇的空时变量x'、y'、z'、t'将代替空时变量x、y、z、t，而任何自然定律的表达式仍取与原来完全相同的形式。人们称之为普遍的自然定律对于洛仑兹变换是协变的。这一点在我们探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。 在经典物理学中，时间是绝对的。它一直充当着不同于三个空间坐标的独立角色。爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的，每个事件由四个数来描述。这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z，它们构成一个四维的连续空间，通常称为闵可夫斯基四维空间。在相对论中，用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的。

狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系。在爱因斯坦以前，物理学家一直认为质量和能量是截然不同的，它们是分别守恒的量。爱因斯坦发现，在相对论中质量与能量密不可分，两个守恒定律结合为一个定律。

他给出了一个著名的质量-能量公式：E=MC^2，其中c为光速。于是质量可以看作是它的能量的量度。计算表明，微小的质量蕴涵着巨大的能量。这个奇妙的公式为人类获取巨大的能量，制造原子弹和氢弹以及利用原子能发电等奠定了理论基础。

对爱因斯坦引入的这些全新的概念，大部分物理学家，其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹，都觉得难以接受。旧的思想方法的障碍，使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉，就连瑞典皇家科学院，1922年把诺贝尔奖金授予爱因斯坦时，也只是说“由于他对理论物理学的贡献，更由于他发现了光电效应的定律。”对于相对论只字未提。 马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。

四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，我们还无法感知。有一个例子，一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种“此消彼长”的关系。

四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。

相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到，时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。

根据狭义相对性原理，惯性系是完全等价的，因此，在同一个惯性系中，存在统一的时间，称为同时性，而相对论证明，在不同的惯性系中，却没有统一的同时性，也就是两个事件(时空点)在一个惯性系内同时，在另一个惯性系内就可能不同时，这就是同时的相对性，在惯性系中，同一物理过程的时间进程是完全相同的，如果用同一物理过程来度量时间，就可在整个惯性系中得到统一的时间。在今后的广义相对论中可以知道，非惯性系中，时空是不均匀的，也就是说，在同一非惯性系中，没有统一的时间，因此不能建立统一的同时性。

相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系，发现运动的惯性系时间进度慢，这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为，运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了。 　尺子的长度就是在一惯性系中同时得到的两个端点的坐标值的差。由于同时的相对性，不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明，在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点。

由以上陈述可知，钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性。也就是说，时间进度与参考系有关。这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观，相对论认为，绝对时间是不存在的，然而时间仍是个客观量。比如双生子理想实验中，哥哥乘飞船回来后是15岁，弟弟可能已经是45岁了，说明时间是相对的，但哥哥的确是活了15年，弟弟也的确认为自己活了45年，这时与参考系无关的，时间又是绝对的。这说明，不论物体运动状态如何，它本身所经历的时间是一个客观量，是绝对的，这称为固有时。也就是说，无论你以什么形式运动，你都认为你喝咖啡的速度很正常，你的生活规律都没有被打乱，但别人可能看到你喝咖啡用了100年，而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟。 爱因斯坦于1915年进一步建立起了广义相对论。狭义相对性原理还仅限于两个相对做匀速运动的坐标系，而在广义相对论性原理中匀速运动这个限制被取消了。他引入了一个等效原理，认为我们不可能区分引力效应和非匀速运动，即非匀速运动和引力是等效的。他进而分析了光线在靠近一个行星附近穿过时会受到引力而弯折的现象，认为引力的概念本身完全不必要。可以认为行星的质量使它附近的空间变成弯曲，光线走的是最短程线。

基于这些讨论，爱因斯坦导出了一组方程，它们可以确定由物质的存在而产生的弯曲空间几何。利用这个方程，爱因斯坦计算了水星近日点的位移量，与实验观测值完全一致，解决了一个长期解释不了的困难问题，这使爱因斯坦激动不已。

他在写给埃伦菲斯特的信中这样写道：“……方程给出了近日点的正确数值，你可以想象我有多高兴！有好几天，我高兴得不知怎样才好。”

广义相对论让所有物理学家大吃一惊，引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时，由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现，两大理论并不相容，至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战：爱因斯坦VS哥本哈根学派。直到现在争论还没有停止，只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。

建立了广义相对论以后，爱因斯坦后来的约四十年的时间都用来探索统一场论，试图把引力和电磁力统一起来，以完成物理学的完全统一。刚开始几年他十分乐观，以为胜利在握；后来发现困难重重。当时的大部分物理学家并不看好他的工作，因此他的处境十分孤立。虽然他始终没有取得突破性的进展，不过他的工作为物理学家们指明了方向：建立包含四种作用力的超统一理论。目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。 1915年11月25日，爱因斯坦把题为“万有引力方程”的论文提交给了柏林的普鲁士科学院，完整地论述了广义相对论。在这篇文章中他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜，而且还预言：星光经过太阳会发生偏折，偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍。

第一次世界大战延误了对这个数值的测定。1919年5月25日的日全食给人们提供了大战后的第一次观测机会。英国人爱丁顿奔赴非洲西海岸的普林西比岛，进行了这一观测。11月6日，汤姆逊在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上郑重宣布：得到证实的是爱因斯坦而不是牛顿所预言的结果。他称赞道“这是人类思想史上最伟大的成就之一。爱因斯坦发现的不是一个小岛，而是整整一个科学思想的新大陆。”泰晤士报以“科学上的革命”为题对这一重大新闻做了报道。消息传遍全世界，爱因斯坦成了举世瞩目的名人。广义相对论也被提高到神话般受人敬仰的宝座。

从那时以来，人们对广义相对论的实验检验表现出越来越浓厚的兴趣。但由于太阳系内部引力场非常弱，引力效应本身就非常小，广义相对论的理论结果与牛顿引力理论的偏离很小，观测非常困难。

七十年代以来，由于射电天文学的进展，观测的距离远远突破了太阳系，观测的精度随之大大提高。特别是1974年9月由麻省理工学院的泰勒和他的学生赫尔斯，用305米口径的大型射电望远镜进行观测时，发现了脉冲双星，它是一个中子星和它的伴星在引力作用下相互绕行，周期只有0.323天，它的表面的引力比太阳表面强十万倍，是地球上甚至太阳系内不可能获得的检验引力理论的实验室。经过长达十余年的观测，他们得到了与广义相对论的预言符合得非常好的结果。由于这一重大贡献，泰勒和赫尔斯获得了1993年诺贝尔物理奖。

光速无法被超越，其根本原因是什么？

光速一直以来都是一个老生常谈的话题，我们也会经常在科幻电影中看到利用虫洞或其他技术让飞船实现亚光速飞行进行星际旅行，不过以目前的科学理论来说，这些科幻技术是不可能实现的。

光速每秒299792458米，是宇宙中物质运动速度的上限，而光速不可超越则是出自于爱因斯坦的狭义相对论。在狭义相对论中提到：有质量的物体是不可能超越光速的，只能无限地接近光速，却永远都无法达到光速。

狭义相对论。

首先从要从爱因斯坦的质能方程E=mc²说起。在此方程中，物质的质量m和能量E是等价的，即物质的质量越大，其能量也就越大，同时也意味着物质所含能量越大，那它的质量也就越大，这也就是说当速度越来越接近光速的时候，质量将会增加。

当一艘飞船以90%的光速飞行，那它此时的质量是飞船相对静止时的两倍，并且还意味着其引擎也要加倍输出才能使飞船加速前进。

即一个物体的运动速度越大，其质量就会越大，那么维持其高速运行时所需的能量也就越大，当物体接近光速时，其维持接近光速运动的能量就趋近于无穷大，也就是质增效应，因此物体不可能达到光速。

其实从这个公式中，我们也可以发现，当物体的速度v为光速的时候，代入公式，分母为0，在数学中，这种情况下代表的是无穷大，也就是说这个时候，物体的质量是无穷大。

而当物体的速度超过了光速，根号里面的值就变成了复数，分母中的结果会产生虚数，而实际中，虚数的存在是没有实际意义的，因此不允许物体超过光速。

那为什么光可以达到光速呢？

光具有波粒二象性，从波的角度来看，光子具有两种可能的偏振态和三个正交的波矢分量，决定了它的波长和传播方向；

而从粒子的角度来看，光子静止质量为零，电荷为零，半衰期无限长。在相对论中，光子由于无法静止，所以它没有静止质量，只具有相对论质量（动质量），因此光子能够以光速运行主要是因为其静止质量为零。

但宇宙中也存在着一些超光速现象，并且也没有违背相对论，因为在相对论所中描述的”光速不能被超越”有个前提条件，那就是有质量的物质不能达到光速。

一、量子纠缠

指的是“A”和“B”两个粒子互为纠缠状态，如果将这两个粒子放置在相距几百亿光年的宇宙两端，只要A做了一个动作，B则会和A同步做相同的动作，反之亦然，这种信息传递被科学界认为是超光速的。

二、宇宙膨胀速度

根据当前的主流理论，宇宙来源于138亿年前的一场大爆炸，但我们目前可观测的宇宙半径为460亿光年，也就是说在过去的138亿年中，宇宙至少膨胀了460亿光年，这样计算的话，宇宙膨胀的速度至少为光速的3倍多。考虑到宇宙的实际大小还要远大于930亿光年，所以宇宙膨胀的速度还要快的多。

三、虫洞理论

虫洞（爱因斯坦—罗森桥）在上世纪30年代由爱因斯坦提出存在于宇宙之间一种连接两个不同宇宙时空的便捷通道，科学家也都对此抱有很浓厚的兴趣，因为虫洞可以作为“超光速”星际旅行的一种方式，而且虫洞理论也并没有违背相对论，因为它是通过改变空间结构来实现超光速的。

目前人类所创造的速度极限是由粒子对撞机中实现的，粒子加速器的原理是利用电场加速粒子，使用磁场将带电粒子控制在加速环中加速，即磁场、加速环越大，粒子获得的能量也越高。

在实验室内，大型强子对撞机中质子获得的能量是6.5 TeV，速度已经达到了0.9999999896c，299,792,455 m / s，而一个电子要比质子轻1836倍。

人类有史以来最快的加速粒子是在LEP电子对撞机中实现的，其获得的能量为104.5GeV，速度达到了0.999999999988c，299,792,457.9964m/s，仅仅比真空中的光慢3.6毫米/秒。

总结

在爱因斯坦的狭义相对论中所提到的光速不可超越，指的是任何有质量的物体都不可能在真空中达到光速，即光速是物质运动速度的极限，而非物质世界的速度并不受光速影响。如今，人类在宇宙中所发现的超光速现象其实都是与空间有关，并不违背相对论。