如果飛船能一直加速，為何不能達到光速？這個問題在牛頓的時代其實是可以的，飛船如果能一直加速，就能達到甚至超過光速。不過牛頓的時代已成過去式，現在是愛因斯坦的時代了，在愛因斯坦的時代裡，不停加速就是另一個故事了。
理論的前奏
事情要從19世紀說起。光究竟是粒子還是波的爭論從牛頓時代就開始了，最初是胡克提出的波動說和牛頓提出的粒子說分庭抗禮，但由於當時牛爵爺至高無上的學術權威，光的波動說被壓制下來，人們普遍接受牛頓的觀點：光是粒子。然而到了19世紀初，一位叫托馬斯·楊的英國醫生髮現了一種奇特的現象，這位光學天才用一束平行光穿過距離很小的兩道互相平行的狹縫後，會產生干涉現象，導致投射到狹縫後面的光產生明暗相間的條紋。這個偉大的實驗被後世稱為楊氏雙縫干涉實驗。這個實驗直接催生了20世紀兩大理論：相對論和量子力學。關於雙縫干涉實驗如何催生量子力學的故事估計很多科學愛好者都聽過了，而我們這次要說的是它如何催生相對論。
光之謎——波與粒
在托馬斯·楊發現干涉現象後，科學家就意識到，干涉是波的特性，這意味著光是一種波！也就是說，牛頓的光粒子說破產了……雖然牛頓的學術權威難以撼動，但楊氏雙縫干涉實驗是如此無可辯駁地證明了光是一種波！因此科學界馬上集體反水，光的波動說被確立。
然而問題來了，波是需要介質傳播的，比如水波需要水，聲波需要空氣或其它介質，如果光是波，那它是通過什麼介質來傳播的呢？在地球上有空氣，光可以通過空氣來傳播，但在星際空間並沒有空氣啊，遠方星星的光波是怎麼傳遞過來的呢？這時科學家們想起了兩百年前由笛卡爾引入到科學裡的充滿宇宙空間的以太，當年支持胡克光波動說的惠更斯就是用以太作為光的傳播介質，既然波動說死灰復燃，以太當然也隨之復活了。
尋找以太
但以太畢竟是虛構出來的，誰也沒見過，它究竟存不存在呢？科學是需要實證的，既然理論上假設它存在，那就得用實驗觀測把它找出來。後來的事大家都知道了，有一位美國實驗物理學家邁克爾遜利用托馬斯·楊所發現的光波干涉原理，設計了一種儀器——邁克爾遜干涉儀，他與另一位實驗物理學家莫雷一起做了一個被載入史冊的實驗——邁克爾遜-莫雷實驗，他們實驗的目的是為了測量地球在繞太陽公轉和隨太陽系繞銀河系中心公轉的過程中相對於以太“漂移”的速度。
然而結果出乎意料，無論往哪一個方向測量，光速都一樣，完全沒有變化，也就是干涉儀上的干涉條紋毫無變化。由於地球在公轉過程中在空間中往不同方向以約萬分之一的光速（約30公里每秒）運動，如果以太存在，地球一年四季在以太中漂移的速度在互相垂直的兩個方向上是不一樣的，根據經典物理裡的速度疊加原理，兩個方向上的光速理應不一樣，這樣在邁克爾遜干涉儀中，通過兩個互相垂直的光路的光波到達屏幕的時間就會不一樣，那麼幹涉條紋理應發生變化，但結果是干涉條紋並沒有任何變化。
這一結果讓當時的物理學家集體懵圈。傳說物理學家開爾文曾把這個實驗結果與黑體輻射的紫外災難一起形容為物理學天空上的兩朵烏雲。
撥雲見日——新理論誕生
最終驅散這一朵烏雲的是20世紀最偉大的物理學家愛因斯坦，他在被後世稱為愛因斯坦奇蹟年的1905年發表了5篇偉大論文，其中有三篇完美解決了邁克爾遜-莫雷實驗的疑雲，這三篇論文分別是：
《論運動物體的電動力學》、《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》和《關於光的產生和轉化的一個試探性觀點》，其中前面兩篇就是現在人盡皆知的狹義相對論，而另一篇就是最終使他獲得唯一一個諾貝爾物理學獎的光電效應解釋。
在解釋光電效應的論文中，愛因斯坦根據普朗克公式提出
光量子假說，完美解釋了光電效應實驗中電流與頻率有關而與光強無關的現象。光的粒子說重新迴歸，而光量子的提出讓以太變得可有可無了，愛因斯坦揮一揮手把剛復活不久的以太抹殺掉，重新扔回到歷史的垃圾堆。他整合了原來彼此獨立的時間和空間，建立稱為時空的統一體，通過在統一時空下的洛倫茲變換（時間膨脹和空間收縮）成功解釋了邁克爾遜-莫雷實驗中真空光速各向不變的現象。並在時間空間的洛倫茲變換基礎上成功推出上述第二篇狹義相對論論文（《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》）中的質量膨脹和史上最簡潔物理方程——質能方程。
到這裡問題背景就交代完了，這是一個完整的理論推導過程，最終推導出來是一個完整的理論——狹義相對論。只要邁克爾遜-莫雷實驗的結論：真空中光速各向不變沒錯，那麼我們可以認為狹義相對論是成立的。然後根據狹義相對論我們就可以來回答這個問題：
問題的答案
“飛船如果能一直加速，是否能達到甚至超過光速？”
答案是：不能。
我們即使不考慮燃料是否充足，也就是說即使飛船具有無窮多的燃料，並一直持續加速，它也不可能達到光速！因為隨著飛船趨近光速，由於時間膨脹效應，它的時間會越來越慢，相應地它的加速度也會越來越慢，它越接近光速，加速就越慢，結果是它永遠都不可能加速到光速，因為它沒有足夠的時間加速到光速……
因此，由於相對論效應，你要麼一開始就達到光速，要麼永遠都加速不到光速。
科普書裡的常見錯誤——相對論效應你用對了嗎？
最後我想更正一下大家在科普書裡經常看到的一種說法，科普書裡提到飛船永遠不能加速到光速用的往往是質量膨脹效應，但實際上這是錯的。質量膨脹可以解釋為什麼不能瞬間加速到光速，但不能解釋為什麼持續加速不能加速到光速。 他們給出理由是隨著飛船接近光速，由於質量膨脹效應，質量會越來越大，加速說需要的能量就越大，但你別忘了燃料可是在飛船上的，飛船質量越來越大燃料的質量也會相應同比增大，燃料所能產生的能量也就同比增大，因此燃料所能提供的加速度是不變的。所以實際上對於飛船而言，它不能達到光速的原因並不是由於質量膨脹效應，而是由於時間膨脹效應導致加速越來越慢……簡單說就是沒時間加速到光速……
但質量膨脹也不是無用武之地，在解釋加速器裡的粒子為何無法加速到光速這個問題時，就需要用到質量膨脹效應了。隨著加速器裡的粒子趨近光速，由於質量膨脹效應它的質量會越來越大，加速器的加速效率會越來越低，即使你有無限的能量也無法把它加速到光速，因為加速器的能量相對於地面是靜止的，並不像飛船上的能源一樣會隨著粒子質量增加而增加。
相反地，在解釋加速器裡的粒子為什麼不能加速到光速的問題上我們就不能使用時間膨脹效應了，因為雖然粒子本身會發生時間膨脹，但作為提供能量用於加速的系統——加速器本身並沒有發生時間膨脹，它可以不間斷地無限加速。
對相對論效應比較熟悉的人此時可能會發現問題了，前面關於無限加速飛船無法達到光速是由於時間膨脹這個解釋裡，所用的時間是地球的時間，也就是相對於地球人看來，飛船上的時間會變得越來越慢，加速度也就越來越小。但根據狹義相對論，飛船裡面的人的時間並沒有膨脹啊，他們的感受到的時間是正常的，那麼在他們眼裡，無限加速的飛船會不會超光速呢？同樣不會。
要解釋飛船是的觀察者看來為什麼無限加速的飛船也達不到光速，我們就需要用到除時間膨脹和質量膨脹以外的第三個相對論效應了——空間收縮效應（即尺度收縮，簡稱尺縮效應）。根據相對論，隨著飛船不斷加速，飛船裡的人會看到外界宇宙在飛船行進方向上發生收縮，在地球觀察者看來，飛船勻加速至越來越接近光速，而在飛船上的人看來，原來遙遠的空間在尺縮效應下變得近在咫尺，由於他們自己測量的時間間隔是正常的，因此在他們看來，他們用了1秒的時間經過了不到299792.458公里的距離，並沒有超過光速。而他們眼中的這不到299792.458公里的距離在地球人看來可能就是若干光年那麼遙遠了……
我很吃驚很多科普書都在這個問題上使用了錯誤的解釋，到目前為止我還沒看過任何科普書和科普文章指出飛船不能加速到光速是由於時間膨脹效應。（注：質量膨脹效應可以解釋飛船為什麼不能瞬間加速到光速）
閱讀更多 星宇飄零2099 的文章
