相信很多人都听过这样一句逼格很高的话：在相对论里，一切物体在时空中的速度都是光速c。有些人还会把“在时空中”这个定语给省略掉，就留下一句“一切物体都以光速运行”，留下读者在那里一脸懵逼。这个事情呢，说简单也简单，说麻烦也麻烦。但小编决定好好跟大家说道说道，让你享受知识带来的乐趣。当然，这个问题对我们深入理解狭义相对论，从牛顿力学的时空观转向相对论的时空观也大有好处。
你们觉得这个问题反常，是因为我们平常理解的速度都是建立在“空间”的概念上的。什么是速度？速度就是位移除以时间。在单位时间内，我在3维空间里移动了多少，速度就是多少，这是我们的常规理解。在这种理解下，每个物体的速度当然是可变的，可大可小，可快可慢。而且，我们还知道，在相对论里，任何有质量的物体，它的速度都不会超过光速。
所以，在这种语境下，我们就会觉得“一切物体的速度都是光速”非常反常，甚至非常扯淡了。即便他说了是在相对论里，你也搞不懂为什么相对论里会这样说。要理解这句话，关键就在那个定语“在时空”里。当我们在说“一切物体的速度都是光速c”时，我们说的这个速度是指在时空中而不是我们一贯理解的空间中的速度。“空间”和“时空”，一字之差，意思却天差地别。这一字之差，也是牛顿力学和相对论力学之间的关键差别。
狭义相对论的背景是4维闵氏时空，它最基本的东西是事件。一个事件包含3个空间坐标和1个时间坐标，时间和空间在相对论这里地位平等了。我们之前理解的速度，都是定义在3维空间里的速度。一个物体从3维空间中的一个点（具有3个空间坐标）移动到另一个点，我们用这个位移除以时间得到的速度。那么，到了相对论，最基本的东西是4维时空，而不再是3维空间。
如果我们想要仿照上面的方法，在4维时空里定义速度，我们要怎么定义呢？类似的，我们当然也希望，从4维时空的一个点移动到另一个点的“时空位移”除以某种时间，得到4维时空中的速度，对不对？因此，要搞定4维时空里的速度，我们就需要先搞定4维时空中的“位移”和“时间”，我们来分别看一看。
4维时空中的位移（以后就简称4维位移吧）好办，就是仿照3维空间里的坐标系，我们在3维空间坐标系里再加一个时间轴，组成了一个4维的坐标系，这样画的图就是时空图。这样，4维坐标系里的每一个点就有4个坐标，例如事件点p1（x1,y1,z1,t1)时空图里的每一个点就代表一个事件。
同样，如果还有一个事件点p2(x2,y2,z2,t2)，那么，我们把事件点p1从时空图里移动到事件点p2的位置移动定义为4维位移，这就非常合理了吧。也就是说，3维空间里的位移，就是我们从3维空间的一个点移动到另一个点（比如从家移动到学校）。那么，4维时空里的位移，就是我们从4维时空的一个事件点移动到另一个事件点。因为事件是有4个坐标的（3个空间坐标，1个时间坐标），因此，如果我一直坐在家里没动。
那么，从3维空间来看，我的坐标点没有变化（因为x,y,z都没变），但是，从4维时空来看，我7点在家这个事件点跟我8点在家这个事件点就是两个不同的时空点了。7点在家的时候，你的时空点可能是（0,0,0,7），8点在家的时候就是（0,0,0,8）了。你的空间坐标没变，但是时间坐标变了，因此在4维时空图里，这依然是两个不同的点，因此它们之间依然有位移。懂了么？
也就是说，即便我一直呆在家里没动，从3维空间的角度来看，我确实没动（因为空间坐标没变），因此速度为0。但是，从4维时空的角度来看，即便我一直坐在家里，我依然在运动（因为虽然空间坐标没变，但是时间坐标在变），因此速度不为0。这个4维时空下的速度，就是我们标题里说的4维速度，就是那个“一切物体都以光速运动”的速度。相信看到这里，你应该有点感觉了。
如果你能理解我即便呆在家里没动，我依然有4维速度，那问题就解决了一半。因为剩下来的工作，无非就是证明这个速度就是光速c，而且对所有物体都成立。到了这里，我请大家闭上眼睛，想象自己在4维时空里遨游。想象你自己的每一个瞬间，每一个动作，都在4维时空里穿梭，你不仅在空间中穿梭，也在时间中穿梭，你时空里飞舞。因为时间长河永远向前奔涌，时间永远在向前流动。
因此，即便你一动也不动，呆在那里傻坐着，你也被时间长河裹挟着飞速移动。逝者如斯夫，不舍昼夜。如果你不想在时间长河里傻坐着，你也想运动运动，学习刘翔、博尔特飞奔一波，开飞船去宇宙深处活动一下。于是，你的空间坐标就发生了改变，你就有了空间上的速度。那么，空间上的这个速度会给你带来什么改变呢？有一个但凡接触过相对论都知道的结论：钟慢效应。
也就是说，当你在空间上有了速度的时候，你的时间开始变慢，而且速度越快，时间减慢得越快。说得更通俗一点就是，当你在空间上有速度的时候，你在时间上的速度就会相应减慢，你在空间上的速度越快，你在时间里的速度就越慢。就好像你骑着一匹赤兔马在时空里飞奔，由于赤兔马的最大耐力和速度是有限的。因此，当你向空间方向飞奔时，你在时间方向上的速度就慢了下来；当你朝时间方向上飞奔的时候，你在空间上的速度自然就慢了下来。
当你在空间里的速度达到最小，也就是静止不动时，赤兔马所有的体力都在时间方向上冲刺，这时候时间流逝得是最快的。当你空间里的速度接近最大（光速c)，你在时间里的流逝几近停滞，这就是钟慢效应的极致。而赤兔马在时空中的速度，就是光速c，你可以按比例把它分配到时间和空间中，但是它们的“总和”保持不变。简单来说，这就是狭义相对论。
如果你以后习惯了在4维时空中思考问题，而不再一直死守3维空间，那你会觉得狭义相对论的一切东西都非常的简单自然。相反，如果你一直试图死守在3维空间理解4维的相对论，那么，这就好像你试图通过盯着2维墙壁上的影子，来理解外面的3维世界一样。不是不可以，但是会非常非常的困难，属于纯粹给自己找不痛快。因此，我们接下来要开始尝试在4维时空里重新理解相对论，理解相对论力学。
我们要在4维时空里重新定义4维位移（两个时空点之间的位置变化），重新定义4维速度、4维加速度、4维力、4维动量……站在这样的角度，我们才能用最自然的角度来欣赏相对论力学。在这样的角度里，我们标题说的“所有物体在时空里的速度（也就是4维速度）都是光速c”就会变得理所当然。因为你只要把4维速度的形式写出来了，你就会发现任何4维速度的模的平方都是c²，所以就有标题的结论就不足为奇了。
最后，我再补充说明一点。我在上面定义4维速度时，跟大家说了4维位移（4维时空图里两个事件点的位置移动），这个好理解。但是我一直没有说对应的时间是怎么定义的。毕竟，速度速度嘛，位移除以时间才叫速度。我们在牛顿力学，在3维空间里定义速度都比较简单，因为牛顿力学里有绝对时间，我们直接用3维空间点的位置移动（3维位移）除以绝对时间（就是我们过去理解的时间）就可以得到速度。
但是，相对论里时间是相对的，并没有绝对时间了。那么，我们在4维时空里，要用4维位移去除以哪个时间呢？因为时间是相对的，那么，除以哪个参考系的时间似乎都不太合适。比如，我7点从家里出发，8点到学校，你要用这两个事件点组成的4维位移除以哪个时间呢？家里的时间？学校的时间？路上的时间？显然都不合适！但是，有一个时间是比较特殊的，对我而言是唯一的，那就是：我自己随身携带的时钟指示的时间。
我从家里出门时往兜里放一块表，这块表一直跟我保持相对静止，它指示的时间自然与众不同。这种跟物体一直保持相对静止的时钟指示的时间，叫固有时。我们的4维速度，就是用4维位移除以这个固有时。而在时空图里，这个固有时又刚好代表了世界线的长度，这就非常有意思了。最后，一句话回答为什么说一切物体在时空中的速度都是光速c？答：因为一切物体的4维速度的模的平方刚好等于光速c的平方。