谨以此文归纳一下我在光速和狭义相对论方面最近了解的知识。
我不是物理相关专业的，了解到的知识不成体系，以下的内容或有谬误，欢迎指正。
1. 认识光
日升月落，满天繁星，人类在蒙昧时代就已经意识到了「光」的存在，并且逐渐认识到了「看见」和「光」之间的联系。我们能看见，是因为光进入了我们的眼睛。光没有速度，如果有的话，那也是无穷大。人类作为一个物种，在很长时间内都是这么认为的。古人总结了光的传播规律、折射规律，这些我们在中学时代的物理课上都有所了解。
2. 意识到光速有限
望远镜发明之后，人们便将视线投向了更遥远的星空。人类发现了木星的几个卫星，并且试图通过观测，记录和发现更多的东西。 1676年（清·康熙十五年），丹麦天文学家奥勒·罗默（Ole Rømer）通过木星的卫星观测，首次意识到光速并不是无穷大，他通过观测数据，根据经典物理学理论计算出光速约为220,000公里/秒。
他试图记录木星的卫星运行到木星后面，从地球上开始看不见它，再到它重新出现的时间。理论上，不管何时观测，这个时间应该是一样的。但是事实上，这个持续时间并不固定。似乎地球和木星之间的相对运动影响了这个时间。由于地球和木星之间的相对运动，在不同时间观测（不严谨地举例，如夏季和冬季），光从木星跑到地球的距离是不同的。如果光速是无穷大，那么这段时间不会有变化，都是瞬间抵达，然而观测数据说明，这段时间必须被考虑进去，不然无法解释为什么木星的「月食」持续时间在地球上看会有显著不同。
1728年（清·雍正六年），英格兰天文学家詹姆斯·布拉德雷（James Bradley）通过恒星的光行差（stellar aberration）进一步确认了光速的有限性。
3. 精确测量光速 & 与直觉相悖的现象
自从意识到光速不但不是无穷大，甚至是一个比较小的数值（22万公里每秒，相比无穷大，简直太小了！），人类就在想办法对光速进行精确地测量。1849年（清·咸丰二年）法国物理学家阿尔芒·斐索（Armand Fizeau）使用旋转齿轮法首次在地面上测量光速，测得约313,000公里/秒。
得到了精确测量光速的方法，人们很自然地就会想重复测量，并且试图改进这些方法，以提高光速测量的精度。在此期间，人们发现无论如何测量，不管光源是静止的还是移动的，不管是测量设备是静止的还是移动的，测量得出的光速都是同一个数值。这与人类的直觉相违背。
人类的直觉是什么呢？你扔一个小球，相对于你是一米每秒；那么你在一辆十米每秒的车上扔这个小球，小球相对地面就应该是11米每秒。在数学和物理学的语言里，描述小球的速度，从相对于你，到相对于地面的转换，就是「参考系」的转换，这一符合人类直觉的「速度直接相加」的转换，叫做「伽利略变换」，可以理解成平面直角坐标系的平移和旋转。然而，在「伽利略变换」下，光速在不同参考系中的测量数值应该是不同的。
这一矛盾困扰了人类很长时间，为了解决这个悖论，人类想象出了一种叫做「以太」的东西，这是绝对静止的，光在「以太」里传播，因此无论人们怎么测量，光速相对于以太而言，都不会变。但是根据这个理论，地球也有相对于以太的运动，从而在更大的尺度上，能够测量到地球相对于以太的运动速度和光速的叠加。1887年（清·光绪十三年），波兰裔美国籍物理学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和美国物理学家爱德华·莫雷（Edward Morley）通过迈克尔逊-莫雷实验否定了以太的存在，表明光速在各个方向上恒定。
这下更完蛋了。试图维持人类的直觉，而引入的「以太」被实验证明不存在，那么可以怀疑的，只剩下这个可疑的「直觉」了……
4. 光速的理论计算
在实验物理学家和天文学家尝试用各种方法测量光速的同时，得益于1670～1736（清·康熙年间）英国的牛顿（Isaac Newton）和德国的莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）发明的新数学工具——微积分，物理学家们得以在物理学的各个领域进行类似于牛顿力学那样的，成体系的，对现有理论的进一步发展。
1865年（清·同治四年），英国的苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）通过麦克斯韦方程组（Maxwell’s equations）统一了电磁场理论，预言了电磁波，并确定光速为电磁波传播的速度。经过一番数学推导，可以得到光速\(c=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\epsilon_0}}\)，其中\(\mu_0\)是真空磁导率，\(\epsilon_0\)是真空电容率。这说明根据电磁学的理论，光速，作为电磁波（在空间中传播的电磁场）的速度，生来就是一个常数！
如果麦克斯韦的电磁学理论能够被实验证实，似乎人们就更应该接受「光速是一个常数」这个设定了。
1888年（清·光绪十四年），德国物理学家亨利·赫兹（Heinrich Hertz）进行了实验，成功产生和检测到电磁波，从而实验证实了麦克斯韦的理论。（前一年，迈克尔逊-莫雷实验否定了「以太」的存在）赫兹的实验展示了电磁波的存在，并测量了它们的速度，这与光速相符，进一步证明了光是电磁波的一种形式，也迫使人们继续思考，为什么光速如此违背直觉……
5. 反思「直觉」：作为数学工具的洛伦兹变换
到这里，人类不得不怀疑自己的「直觉」了。如果速度不能直接叠加呢？1895年（清·光绪二十一年）荷兰的亨德里克·洛仑兹（Hendrik Lorentz）和 爱尔兰的乔治·菲茨杰拉德（George Fitzgerald）提出洛仑兹变换，这是一种数学游戏，提出了一种和「伽利略变换」不同的，切换参考系（视角）的方法。在使用洛伦兹变换时，高速运动（接近光速）下，切换参考系测量长度，会出现长度收缩现象，测量时间，则会有时间膨胀的现象。
6. 系统化的理论：狭义相对论与闵氏几何
1905年（光绪三十一年），阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表论文《论动体的电动力学》（On the Electrodynamics of Moving Bodies），提出狭义相对论，基于两个假设：1）物理定律在所有惯性系中相同；2）光速在所有惯性系中恒定；指出\(E=mc^2\)，即质能等价关系。
1908年（光绪三十四年）德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）提出闵氏时空，结合空间和时间为四维时空，提供了狭义相对论的几何解释。
7. 重塑直觉
在人类的朴素认知中，这个世界是符合欧几里得几何（欧氏几何）的。长度就是长度，时间是另外的东西。距离只和位置有关，是只关于长度的。不管我们如何切换「参考系」，距离依然只和长度有关。时间具有和长度独立的地位。在这个前提下，切换「参考系」则速度可以叠加，光速应该有变化。
狭义相对论和闵氏几何指出，「距离」不是单纯和长度有关，而是一个同时包含了长度和时间的东西。切换「参考系」，新的长度同时和原来的长度以及时间有关，新的时间也同时和原来的长度与时间有关。人类能直观感知的长度和时间，不过是这个「距离」在两个不同维度的投影。就像我们把空间分为上下四方，而这「上下四方」只不过是对同一个东西的不同视角的描述一样；我们称为「空间（长度）」和「时间」的，也只不过是「时空」这同一个东西的不同视角而已。时间和空间不可分割，互不独立。
也就是说，狭义相对论让人类对物理世界的认识，从欧几里得几何（以及相匹配的伽利略变换），进步到了闵氏几何（以及与之相匹配的洛伦兹变换）。后者兼容前者（当速度远远小于光速时），并且能解释前者不能解释的现象：光速不变。
8. 为何光速不可超越
经过上面 1-7 的发展，我们应当承认，如果你不能理解并接受闵氏几何（以及相匹配的洛伦兹变换），那么你对世界的认知依然摆脱不了你与生俱来的直觉——世界是可以用欧几里得几何描述的（以及与之匹配的伽利略变换）。而这一基于直觉的认识，与物理世界的「实际存在」之间是不匹配的。
想要理解「为什么光速不可超越」，首先就是要抛弃直觉。
以下的这段话，是闵氏几何对狭义相对论的阐释，我的描述可能不准确，仅供参考。
基于狭义相对论和闵氏时空而言（背后的数学工具是微积分），加速的过程可以无限长，表现为时空图（用闵氏几何描述）原点和双曲线上的点的连线，一端固定在原点，另一端在双曲线上向远处移动，速度则是这个连线与坐标轴（不妨理解为Y轴）的夹角。显然，双曲线是没有尽头的，这也代表着加速可以永远进行下去。那么速度本身（夹角）也可以一直增大吗？当然不是，当另一端在双曲线上跑到无穷远处时，这个连线也就变成了双曲线的渐近线：夹角为45度的那条线，也就是光速。
换句话说，光速是闵氏时空下的速度的极限，这是时空的结构所决定的，是一种「性质」。任何信息、物理作用或信号的传播速度不能超过光速。
9. 在那之后呢？
人类的直觉对世界的认识是合乎欧几里得几何（以及伽利略变换，配合四则运算、乘方、开方）的，但是无法解释为什么光速测量值是一个常数。
狭义相对论指出，世界应该是符合闵氏几何的，时间和空间不可分割，距离同时和空间、时间有关，切换坐标系要配合洛伦兹变换，使用的数学工具是微积分。但是，根据牛顿力学中对引力的描述，在质量发生变化时，引力也在那瞬间变化，似乎引力的传播是不需要时间的。狭义相对论无法解释这种「瞬时传播」。任何信息、物理作用或信号的传播速度不能超过光速，这能确保因果关系的传递速度不能超过光速，以确保物理现象的时间顺序和因果性。但引力的这种瞬时传播，打破了这个限制，这会导致物理现象的时间顺序混乱，不但违反狭义相对论中的因果性原则，也以一种更夸张的方式，冲击了人类的直觉。（基于时间先后的因果性不存在了！！！）
广义相对论拓展了狭义相对论，将引力描述为时空的弯曲，引力不是直接作用力，而是由质量和能量引起的时空弯曲。物体在弯曲时空中的运动轨迹是由时空几何决定的，而不是通过瞬时作用力。广义相对论预测引力波的存在，引力波是时空的波动，可以携带引力信息。引力波的传播速度是光速，符合狭义相对论的光速限制。这解决了牛顿理论中引力瞬时传播的问题，确保了与狭义相对论的光速限制和因果性原则的一致性。1911年，爱因斯坦预测光在引力场中会发生弯曲。1919年，爱丁顿通过日全食观测验证了光在太阳引力场中的弯曲，证实了广义相对论的预言。
广义相对论描述的世界是用黎曼几何描述的，使用的数学工具涉及了张量。爱因斯坦在此理论基础上，给出了描述这个世界的爱因斯坦场方程：
\(\displaystyle R_{\mu\nu}-\frac{1}{2}g_{\mu\nu}R +{\Lambda}g_{\mu\nu}=\frac{8{\pi}G}{c^4}T_{\mu\nu}\)
这个方程极难求解，只有在特殊的情况下可能求出它的解。
1915年，在一战前线战壕中志愿为炮兵计算弹道的德国物理学家卡尔·施瓦西（Karl Schwarzschild）闲极无聊，在了解到爱因斯坦场方程后，构想出了真空中的球形对称场景，并计算出了这种情况下爱因斯坦场方程的解——一个静止且不带电荷的球形黑洞，史瓦西黑洞。
这是大众最为熟知的黑洞，有一个可以永远坠落的「视界」，「视界」之内，光都无法逃脱。
然而，这个黑洞也可以旋转、可以带有电荷，此时它也不再是「史瓦西黑洞」。这样的黑洞有更复杂的结构，需要更复杂的数学和几何语言来描述。比如说，它会有至少两个「视界」；再比如说，在其内部的某个结构中，允许「超光速」存在……不过这并不违背我在上面提到的「重塑后的直觉」，因为在那个特殊的时空结构中，显然它的性质和一般时空的性质会有所不同，而光速限制作为一般时空的结构（或者说性质），在那里没有了，感觉上也比较好接受……
但广义相对论远远超出了我的理解能力，我无法在这个回答中提供更多信息了，有兴趣的可以看看B站这个视频：爱因斯坦的广义相对论公式所推测的宇宙有多诡异？
10. 再之后呢？
再之后，物理学的发展更加违背直觉，更加依赖数学，也能解释更多现实世界中的物理现象。同时，也预言了更多奇怪的、难以理解的东西……我希望我可以掌握更多的数学工具，了解更多的物理理论，来帮我不断重塑直觉，刷新对这个世界的认识……