浅谈狭义相对论超光速为什么能穿越到未来？

　　穿越时空是许多科幻小说中经常出现的场景，穿越方法也是多种多样。但在现实生活中，因为有自然规律的限制，这些方法大部分都失效了。难道人类就不能穿越时空吗？其实方法还是有的，那便是我们耳熟能详的超光速飞行。许多小说都描写过这种方法，比如《三体》。这种方法在现实中是人类穿越时空最大的希望。为什么超光速飞行能穿越时空？
　　其实，不只是超光速才能穿越时空，只要是普通的运动就可以。不过，超光速更明显，普通运动产生的结果几乎无法察觉。举个例子，在太阳系的深处，人类目前发射最远的探测器——旅行者一号，已经飞行了40多年，才勉强穿越到1秒钟后的未来。而用超光速飞行1年就可以穿越到两个月后的未来。
　　在爱因斯坦的研究成果中，广义、狭义两个相对论最为有名，这次先讲狭义相对论。要认识狭义相对论，就要先认识参照系，其定义为：对某件事情进行观察时，其所处的特定环境及状态。定义比较晦涩，让我们来举一个生动的例子来说明，两个骑车的人即将要相撞，在危急关头，其中一个骑手对另一个骑手大喊：＂你往左骑，我往右！＂听起来不错，但他们最终还是撞上了。为什么？因为两人的左右各不相同（两人相向）一个人的左，便是另一个人的右。出现这种情况是两人的参照系不同，以其中一个人的参照系来说，他的左在东边，右在西边，而另一个人的左在西边，右在东边。
　　理解了这个前提，我们就可以走进狭义相对论的大门了。首先，我们先想象一个长方体，里面中空，外面透明，有一个球在长方体内部，在天花板和地面之间做垂直于地面的上下往返运动，永不停止。这时在长方体的内部有一个观察者，长方体的外部也有一个观察者。假设这个长方体在垂直于球的运动方向上正以超高的速度前进，此时的球会怎样运动？当以长方体内的观察者为参照系时，长方体是静止不动的，因此球应该垂直上升，碰到天花板再垂直下落。
　　在以长方体内部观察者为参照系时，球垂直于地板作往返运动，永不停止。
　　但以外部观察者为参照系时，情况就不一样了，当球上升撞到天花板正要下落时，因为长方体正在移动，所以球不可能落在它离开地面时的位置上。
　　在以外部观察者为参照系时，球的运动图像
　　这里就有个问题了，在两个参照系中，球运动的结果是截然不同的。这是为什么呢？是因为参照系的不同所导致球的运动时间和速度发生变化了吗？爱因斯坦的答案是，在以外部观察者为参照系的时候，球下落的速度增加了，而时间不变。
　　爱因斯坦没有止步于此，将球换成了光。接下来的事情就有意思多了。当光在长方体中运动时，我们分别以长方体内部和外部两个观察者作为参照系（也就是上文观察球的两个参照系）观察到的结果与我们分别以这两个参照系观察到的球的运动结果是一样的。
　　但在计算速度时，我们遇到一个问题。因为光速是恒定的，所以光在两个参照系中的速度是不变的，上文中球的结论就无法成立，怎么办呢？为解决这个问题，爱因斯坦列了几个方程，这几个方程式十分简单，甚至连初中生就能解出，但背后的意义却十分伟大（如果不想读的话可以直接跳到后面看结论）。
　　在长方体内，先设光从地面到达天花板的距离（也就是地面到天花板的高度）为h，光速为c，观察者在长方体内观察时长为t₁,所以当以内部观察者为参照系时，光运动的距离为c·t₁，也就是h。
　　现在，以外部观察者为参照系，设光速运动时经过的距离为a,长方体运动速度为v，外部观察者观察时长为t₂，所以长方体飞行的距离为v·t₂，我们发现这是个直角三角形（注意，在这里我们将两个参照系中，光运动的结果合在了一起）。
　　根据勾股定理：
　　a²=h²+（v·t₂）²
　　因为a= c·t₂
　　所以（c·t₂）²=h²+（v·t₂）²
　　也就是，（c·t₂）²-（v·t₂）²=h²
　　t₂²（c²-v²）= h²
　　t₂²=h²/（c²-v²）
　　因为，h= c·t₁，所以代入得，t₂²=t ₁²/（c²/c²-v²/c²）
　　也就是，t₂²=t ₁²/（1-v²/c²）
　　也就是，t₂²=t ₁²/（c²/c²-v²/c²）
　　所以，t₂=t ₁/（1-v²/c²）  ½
　　设长方体飞行速度为c/2
　　所以，t₂=t ₁/﹝1-（c/2）²/c²﹞  ½
　　t₂=t ₁/（1-c²/4 c²﹞  ½
　　t₂=t ₁/（1-¼）  ½或t ₁/（¾  ½）
　　因为： ¾ 0.866
　　所以，t₂=t ₁/0.866，解得t₂=1.155 t ₁。假设长方体以c/2的速度行驶1年，外部已经过去1.155年。
　　来个总结，爱因斯坦解决了因为光速恒定所带来的问题，结果便是速度不变，时间变了。长方体内时间比长方体外部时间流速快，也就是速度越快，时间流逝越快，速度越慢，时间流逝越慢。假如一个人以超高速度环游宇宙，当他游了二十年后，回到地球，就会发现地球已过去五、六十年（取决于速度快慢），也就是穿越到二十、三十年后的未来。
　　接下来，我们再来说说狭义相对论另一个内容，运动会增加物体的质量与能量。我们先从一个伟大而耳熟能详的方程说起E=mc²，E代表能量，c²代表光速的平方，m代表质量。这说明质量和能量之间有一定的关系。物体运动时会有动能（能量的一种），增加了物体的能量，而能量的增加意味着质量的增加，也就是说物体的运动会增加物体的质量。这也说明物体的运动速度只能无限接近光速而无法超越光速：物体运动速度越快，物体的质量就越大，也就是能量就越大，无限逼近光速，就要无限大的能量，而人类无法为这个物体提供无限大的能量。