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深度長(zhǎng)文:超光速就能回到過(guò)去?為何不見(jiàn)未來(lái)人?

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“速度超過(guò)光速,時(shí)間將會(huì)倒流(回到過(guò)去)”,這一說(shuō)法在科幻作品與大眾認(rèn)知中流傳甚廣,既充滿了對(duì)時(shí)空穿越的浪漫想象,也暗藏著對(duì)物理規(guī)律的深層疑問(wèn)。要讀懂這一說(shuō)法的內(nèi)核與局限,我們必須先抓住兩個(gè)核心要素——“超過(guò)”與“光速”。



真正的問(wèn)題不在于“時(shí)間能否倒流”,而在于:為何必須是“超過(guò)”光速,而非其他速度?為何偏偏是“光速”成為了這一猜想的臨界閾值?要解答這些問(wèn)題,我們需要從速度的本質(zhì)、光速的特殊性,以及時(shí)空的基本規(guī)律逐步展開(kāi)。

首先,我們需要重新理解“速度”這一基礎(chǔ)物理量。在經(jīng)典力學(xué)中,速度的定義簡(jiǎn)潔明了:速度=距離/時(shí)長(zhǎng)。但如果我們深入拆解,會(huì)發(fā)現(xiàn)這一定義背后隱藏著對(duì)“空間”與“時(shí)間”的綁定——“距離”是對(duì)空間維度的度量,“時(shí)長(zhǎng)”是對(duì)時(shí)間維度的分割,因此速度的本質(zhì)可被重構(gòu)為:速度=空間/時(shí)間。這一重構(gòu)揭示了一個(gè)關(guān)鍵邏輯:速度并非獨(dú)立存在的物理量,而是連接空間與時(shí)間的“橋梁”,它的變化必然會(huì)牽動(dòng)空間與時(shí)間的狀態(tài)。

更重要的是,“速度”是一個(gè)“相對(duì)量”,而非“絕對(duì)量”。通俗地說(shuō),談?wù)撘粋€(gè)物體的速度時(shí),必須明確它的“參考系”——即相對(duì)于哪個(gè)物體的速度。我們?nèi)粘I钪械乃俣缺硎?,其?shí)都默認(rèn)了一個(gè)“靜止參考系”:說(shuō)一輛車的速度是20公里/小時(shí),實(shí)際是指它相對(duì)于路面(默認(rèn)靜止)的速度;如果這輛車行駛在勻速航行的航空母艦上,那么相對(duì)于靜止的海面,它的速度就會(huì)變成車速與航母航行速度的疊加(同向)或差值(反向)。這種“速度的相對(duì)性”與“可疊加性”,是經(jīng)典力學(xué)的基本共識(shí),也是我們?nèi)粘I罱?jīng)驗(yàn)的總結(jié)。



為了更直觀地理解速度的相對(duì)性,我們可以舉一個(gè)經(jīng)典的例子:兩軍交戰(zhàn)時(shí),我軍士兵向敵軍投擲一枚手雷,手雷的飛行速度為5米/秒(相對(duì)于地面)。如果敵軍士兵拼命向后逃跑,速度為4米/秒(相對(duì)于地面),那么在敵軍士兵的參考系中,手雷接近他的速度就變成了5-4=1米/秒——他的運(yùn)動(dòng)讓手雷的相對(duì)速度減小了;反之,如果有敵軍士兵迎著手雷奔跑,速度為4米/秒,那么手雷接近他的速度就變成了5+4=9米/秒。這種“速度的加減法則”適用于我們能感知到的所有宏觀低速運(yùn)動(dòng),也讓我們形成了一種直覺(jué):任何物體的速度都可以通過(guò)改變參考系來(lái)調(diào)整。

然而,當(dāng)我們把目光投向“光”時(shí),這種直覺(jué)會(huì)被徹底打破——光速是宇宙中唯一不遵循“相對(duì)疊加法則”的速度,它是恒定不變的“普適常量”。

光速的恒定性,是物理學(xué)史上最顛覆性的發(fā)現(xiàn)之一。我們可以通過(guò)一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來(lái)感受這種“怪異”:一輛汽車靜止在路面上,車頭的大燈開(kāi)啟后,前方的光速檢測(cè)設(shè)備會(huì)測(cè)出燈光的速度為299792458米/秒(這是真空中光速的精確值);當(dāng)汽車以20米/秒的速度向前行駛時(shí),按照經(jīng)典力學(xué)的速度疊加法則,我們直覺(jué)上會(huì)認(rèn)為,燈光的速度應(yīng)該是299792458+20=299792478米/秒——畢竟大燈隨汽車運(yùn)動(dòng),理應(yīng)獲得一個(gè)額外的“速度加成”。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻截然相反:無(wú)論汽車以何種速度行駛,甚至換成更快的飛行器,光速檢測(cè)設(shè)備測(cè)出的結(jié)果永遠(yuǎn)是299792458米/秒。

這里需要特別說(shuō)明的是,299792458米/秒并非光速的“近似值”,而是國(guó)際計(jì)量大會(huì)定義的“精確值”。為了消除測(cè)量誤差,國(guó)際上直接將“米”的定義與光速綁定:1米=光在真空中1/299792458秒內(nèi)行進(jìn)的距離。這種“互證式”的定義,從根本上確立了光速的絕對(duì)恒定地位——它不再是一個(gè)需要反復(fù)測(cè)量校準(zhǔn)的物理量,而是定義空間尺度的“基準(zhǔn)”。

光速的恒定性,直接引發(fā)了物理學(xué)的“范式革命”。既然速度=空間/時(shí)間,而光速作為一種速度,卻不隨參考系變化,那么唯一的可能就是:空間與時(shí)間本身是“相對(duì)的”,會(huì)隨物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)整,以此維持光速的恒定。這正是愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的核心思想。



在日常生活中,我們之所以感受不到這種“時(shí)空調(diào)整”,是因?yàn)槲覀兘佑|到的速度都遠(yuǎn)低于光速,時(shí)空的變化量微乎其微。但如果我們把場(chǎng)景切換到“接近光速”的運(yùn)動(dòng)中,這種變化就會(huì)變得極其明顯。假設(shè)一輛汽車以99%的光速行駛,站在路邊的觀察者會(huì)看到兩個(gè)詭異的現(xiàn)象:一是汽車的長(zhǎng)度沿著運(yùn)動(dòng)方向大幅收縮(這一現(xiàn)象被稱為“長(zhǎng)度收縮”),原本5米長(zhǎng)的汽車,可能會(huì)收縮到不足1米;二是車內(nèi)的時(shí)間流動(dòng)變得極其緩慢(這一現(xiàn)象被稱為“時(shí)間膨脹”),如果觀察者能聽(tīng)到車內(nèi)的手表滴答聲,會(huì)發(fā)現(xiàn)每一聲滴答都間隔數(shù)秒甚至數(shù)分鐘。

而對(duì)于坐在車內(nèi)的乘客來(lái)說(shuō),他并不會(huì)感覺(jué)到自身時(shí)間的異?!直淼牡未鹇曇廊痪鶆?,自己的動(dòng)作也沒(méi)有任何遲緩。但當(dāng)他望向窗外時(shí),會(huì)看到更奇特的景象:路邊的樓房、樹(shù)木等景物會(huì)沿著汽車運(yùn)動(dòng)的反方向劇烈扭曲,天空會(huì)向視線的“消失點(diǎn)”快速收縮,最終匯聚成一個(gè)明亮的光點(diǎn)。這背后的本質(zhì)是:對(duì)于任何運(yùn)動(dòng)的物體來(lái)說(shuō),空間與時(shí)間都會(huì)進(jìn)行精準(zhǔn)的相對(duì)調(diào)整,而這種調(diào)整的唯一目的,就是確保光速在任何參考系中都保持恒定。



科幻作品《星球大戰(zhàn)》中,“千年隼”號(hào)飛船在接近光速時(shí),窗外景觀發(fā)生劇烈扭曲的場(chǎng)景,正是對(duì)這一物理現(xiàn)象的藝術(shù)化呈現(xiàn)。不過(guò)需要補(bǔ)充的是,在現(xiàn)實(shí)中,如果物體真的接近光速,人類的眼睛可能無(wú)法再看到星空——因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)帶來(lái)的“多普勒頻移”會(huì)讓可見(jiàn)光的波長(zhǎng)大幅縮短,超出人眼的感知范圍,最終變成不可見(jiàn)的紫外線或伽馬射線。但無(wú)論如何,這一科幻場(chǎng)景都幫助我們理解了一個(gè)核心事實(shí):空間與時(shí)間并非獨(dú)立存在的“剛性結(jié)構(gòu)”,而是相互關(guān)聯(lián)、可以共同調(diào)整的“統(tǒng)一體”,這個(gè)統(tǒng)一體就是相對(duì)論的核心概念——“時(shí)空”(space-time)。

如果覺(jué)得“時(shí)空相對(duì)調(diào)整”的概念過(guò)于抽象,我們可以用一個(gè)更通俗的方式理解:當(dāng)你與光同向運(yùn)動(dòng)時(shí),你永遠(yuǎn)無(wú)法“追上”光——因?yàn)楣馑俦仨毷冀K比你快299792458米/秒,你與光速的差距永遠(yuǎn)無(wú)法縮??;當(dāng)你迎著光奔跑時(shí),光接近你的速度也不會(huì)像“手雷”那樣疊加你的速度,依然是299792458米/秒。在這種情況下,光速無(wú)法為你的運(yùn)動(dòng)“讓步”,那么能讓步的就只能是你的“時(shí)空”——你的空間會(huì)收縮,時(shí)間會(huì)變慢,以此來(lái)維持光速的恒定。

這里有一個(gè)常見(jiàn)的疑問(wèn):既然光速是恒定的,為什么當(dāng)我們迎著光奔跑時(shí),光射到我們身上的時(shí)間會(huì)比靜止時(shí)更短?其實(shí)答案很簡(jiǎn)單:這并非因?yàn)楣馑僮兛炝?,而是因?yàn)楣馀c我們之間的“空間距離”縮短得更快了。比如,一束光從1000米外射向你,當(dāng)你靜止時(shí),光與你之間的距離以光速(c)縮短,到達(dá)你身邊需要的時(shí)間是1000/c;當(dāng)你以5米/秒的速度迎著光奔跑時(shí),光與你之間的距離縮短速度就變成了c+5,總路程縮短的速度加快了,因此到達(dá)你身邊的時(shí)間自然會(huì)變短。但在這個(gè)過(guò)程中,光速本身依然是299792458米/秒,從未改變。

理解了“時(shí)空的相對(duì)性”與“光速恒定”,我們就可以順著邏輯推導(dǎo)不同速度下時(shí)間的狀態(tài):

首先,速度低于光速時(shí),時(shí)間會(huì)“變慢”。這種“時(shí)間膨脹”現(xiàn)象的本質(zhì),是物體在空間中的運(yùn)動(dòng)“分流”了它在時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)。我們可以用一個(gè)類比來(lái)解釋:從上海到北京,你可以直接朝北走(全程專注于“北方方向”),也可以先去新疆再繞到北京(把一部分“北方方向”的速度分流給了“西方方向”)。在相同的總速度下,第二種走法會(huì)花費(fèi)更多時(shí)間,因?yàn)檎嬲糜凇俺薄钡乃俣葴p少了。時(shí)空也是如此:當(dāng)我們靜止時(shí),我們的全部“速度”都用于在時(shí)間維度上前進(jìn),因此時(shí)間正常流逝;當(dāng)我們?cè)诳臻g中運(yùn)動(dòng)時(shí),一部分“時(shí)間速度”會(huì)被分流到空間維度,導(dǎo)致時(shí)間流逝變慢。物體的運(yùn)動(dòng)速度越快,被分流的“時(shí)間速度”就越多,時(shí)間就越慢——這就是“時(shí)間膨脹”的核心邏輯。

這種類比并非憑空想象,而是源于相對(duì)論中的“閔可夫斯基圖”(時(shí)空?qǐng)D)。在時(shí)空?qǐng)D中,縱軸是“時(shí)間×光速”(ct),代表時(shí)間維度;橫軸是x、y、z,代表空間維度。



當(dāng)物體相對(duì)靜止時(shí),它在時(shí)空?qǐng)D中的軌跡(被稱為“世界線”)是與縱軸平行的直線,意味著它只在時(shí)間維度上前進(jìn);當(dāng)物體勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),世界線會(huì)變成一條傾斜的直線,傾斜角度由運(yùn)動(dòng)速度與光速的比值(v/c)決定——速度越快,傾斜角度越大,代表在空間維度上的位移越多,時(shí)間維度上的前進(jìn)越少。這張圖從數(shù)學(xué)上直觀地證明了:空間運(yùn)動(dòng)與時(shí)間流逝是相互關(guān)聯(lián)、此消彼長(zhǎng)的。

接下來(lái),我們推導(dǎo)到“速度等于光速”的情況:此時(shí),時(shí)間會(huì)“停止”。我們可以做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn):如果你以光速運(yùn)動(dòng),那么你就會(huì)與光處于“相對(duì)靜止”的狀態(tài)(但這里需要注意,光本身無(wú)法作為參考系,因?yàn)樵诠馑賲⒖枷抵?,所有物理?guī)律都會(huì)失效)。從理論上來(lái)說(shuō),以光速運(yùn)動(dòng)的物體,其世界線會(huì)與時(shí)空?qǐng)D中的“光錐”重合,此時(shí)它在時(shí)間維度上的前進(jìn)速度為零——也就是說(shuō),時(shí)間不再流逝。對(duì)于以光速運(yùn)動(dòng)的物體而言,從宇宙的一端到另一端,不需要花費(fèi)任何時(shí)間,因?yàn)樗耆撾x了時(shí)間的約束。

這里同樣存在一個(gè)常見(jiàn)的疑問(wèn):既然以光速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)間會(huì)停止,為什么我們看到的光傳播依然需要時(shí)間(比如陽(yáng)光到達(dá)地球需要8分20秒)?其實(shí)這兩個(gè)結(jié)論并不矛盾:我們看到的光傳播需要時(shí)間,是因?yàn)槲覀兲幱凇办o止參考系”中,光速在我們的參考系中是恒定的299792458米/秒,因此傳播一定距離需要相應(yīng)的時(shí)間;而“以光速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)間停止”,是站在“光速參考系”的角度得出的結(jié)論——但實(shí)際上,光速參考系是“無(wú)效”的,因?yàn)樵诠馑傧?,觀察者無(wú)法進(jìn)行任何觀察(所有物理量都會(huì)變得無(wú)意義)。因此,“以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)間停止”是一個(gè)理論推導(dǎo)的極限情況,而我們觀察到的光傳播時(shí)間,是基于我們自身參考系的實(shí)際測(cè)量結(jié)果,兩者不存在沖突。

順著這個(gè)邏輯繼續(xù)推導(dǎo),就會(huì)自然而然地得出“速度超過(guò)光速,時(shí)間倒流”的猜想:如果低于光速會(huì)讓時(shí)間變慢,等于光速會(huì)讓時(shí)間停止,那么超過(guò)光速,時(shí)間就應(yīng)該會(huì)“反向流逝”——也就是回到過(guò)去。從理論上來(lái)說(shuō),當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)光速時(shí),它的世界線會(huì)超出時(shí)空?qǐng)D中的“光錐”范圍,在某些參考系中,觀察者會(huì)看到物體的運(yùn)動(dòng)軌跡是“逆向”的:比如,先看到物體到達(dá)終點(diǎn),再看到物體出發(fā);甚至?xí)吹轿矬w的“未來(lái)狀態(tài)”先出現(xiàn),“過(guò)去狀態(tài)”后出現(xiàn)。同時(shí),超光速運(yùn)動(dòng)的物體,還可能追上之前發(fā)射的光(比如自己出發(fā)時(shí)發(fā)射的光),從而“看到”過(guò)去發(fā)生的事情——這就是“超光速即時(shí)間倒流”的理論來(lái)源。

到這里,“超光速即時(shí)間倒流”的猜想似乎順理成章,但我們必須回到最根本的問(wèn)題上:物體的速度真的能超過(guò)光速嗎?答案是否定的——這一猜想的前提,從物理規(guī)律上就無(wú)法成立。

要證明“物體無(wú)法超過(guò)光速”,最直觀、最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぞ呤恰奥鍌惼澴儞Q”(Lorentz transformation)。洛倫茲變換是狹義相對(duì)論的核心數(shù)學(xué)工具,它描述了不同參考系中時(shí)空坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系,而這一轉(zhuǎn)換關(guān)系的核心系數(shù),就是“洛倫茲因子”(γ)。洛倫茲因子的公式如下:γ=1/√(1-(v/c)2),其中v是物體的相對(duì)速度,c是真空中的光速。



我們可以先通過(guò)洛倫茲因子的圖像來(lái)理解:圖像的橫軸是物體的運(yùn)動(dòng)速度(v),縱軸是洛倫茲因子(γ)。當(dāng)物體速度很低時(shí)(遠(yuǎn)低于光速),洛倫茲因子的值接近1,此時(shí)時(shí)空的變化極其微小,經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律依然適用;當(dāng)物體速度逐漸接近光速時(shí)(比如超過(guò)90%光速),洛倫茲因子會(huì)急劇增大,趨近于無(wú)窮大;當(dāng)物體速度等于光速時(shí),分母為零,洛倫茲因子無(wú)意義;當(dāng)物體速度超過(guò)光速時(shí),根號(hào)內(nèi)的數(shù)值變?yōu)樨?fù)數(shù),洛倫茲因子成為虛數(shù)——而虛數(shù)在物理世界中是沒(méi)有實(shí)際意義的,這意味著“超光速運(yùn)動(dòng)”違背了現(xiàn)有的物理規(guī)律。

為了更深入地理解洛倫茲因子的物理意義,我們可以回顧它的推導(dǎo)過(guò)程(需要基礎(chǔ)的勾股定理知識(shí)):假設(shè)一列以速度v勻速行駛的火車,車廂內(nèi)有一個(gè)光源和一面鏡子,光源與鏡子之間的垂直距離為W。車廂內(nèi)的觀察者(A)和站臺(tái)上的觀察者(B)同時(shí)對(duì)“光從光源射出,經(jīng)鏡子反射后返回光源”的過(guò)程計(jì)時(shí)。



對(duì)于觀察者A(車廂內(nèi))來(lái)說(shuō),光的傳播軌跡是垂直向上再垂直向下的,總路程是2W。由于光速恒定為c,因此A測(cè)得的時(shí)間Ts=2W/c。

對(duì)于觀察者B(站臺(tái)上)來(lái)說(shuō),由于火車在運(yùn)動(dòng),光的傳播軌跡是兩條斜線(形成一個(gè)等腰三角形)。此時(shí),光的傳播路程不再是2W,而是這個(gè)等腰三角形的兩條腰長(zhǎng)之和。根據(jù)勾股定理,三角形的底邊長(zhǎng)度是火車在光傳播時(shí)間內(nèi)行駛的距離(v×Tm,其中Tm是B測(cè)得的時(shí)間),因此每條腰長(zhǎng)為√(W2+(v×Tm/2)2),總路程為2√(W2+(v×Tm/2)2)。同樣,由于光速恒定為c,因此B測(cè)得的時(shí)間Tm=2√(W2+(v×Tm/2)2)/c。

將A測(cè)得的Ts=2W/c變形為2W=c×Ts,代入B的時(shí)間公式中,整理后可得到:Tm=Ts/√(1-(v/c)2)。而洛倫茲因子γ=Tm/Ts=1/√(1-(v/c)2)——這就是洛倫茲因子的推導(dǎo)過(guò)程,它從實(shí)驗(yàn)邏輯上證明了:不同參考系中的時(shí)間流逝速度,由物體的運(yùn)動(dòng)速度與光速的比值決定。

洛倫茲因子的物理意義遠(yuǎn)不止于此,它還揭示了“物體無(wú)法超過(guò)光速”的三個(gè)核心原因:

第一,長(zhǎng)度收縮。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí),其長(zhǎng)度會(huì)沿運(yùn)動(dòng)方向收縮,收縮比例為1/γ。當(dāng)速度接近光速時(shí),γ趨近于無(wú)窮大,長(zhǎng)度趨近于零——這意味著物體在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)被“壓成一個(gè)點(diǎn)”,無(wú)法再繼續(xù)加速。

第二,時(shí)間膨脹。如前所述,物體運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí),時(shí)間會(huì)急劇變慢,γ趨近于無(wú)窮大時(shí),時(shí)間幾乎停止——對(duì)于物體本身而言,它永遠(yuǎn)無(wú)法“感受到”自己到達(dá)光速的瞬間,因?yàn)闀r(shí)間已經(jīng)停滯。

第三,質(zhì)量增大。洛倫茲因子還會(huì)影響物體的質(zhì)量:運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量(相對(duì)論質(zhì)量)=靜止質(zhì)量×γ。當(dāng)物體速度接近光速時(shí),γ趨近于無(wú)窮大,相對(duì)論質(zhì)量也趨近于無(wú)窮大。而質(zhì)量的本質(zhì)是“加速的難度”——要加速一個(gè)質(zhì)量無(wú)窮大的物體,需要無(wú)窮大的能量。但宇宙中并不存在“無(wú)窮大的能量”,因此我們永遠(yuǎn)無(wú)法將一個(gè)有質(zhì)量的物體加速到光速,更不可能超過(guò)光速。

這里需要補(bǔ)充一個(gè)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn):很多人會(huì)誤以為“兩個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的物體相對(duì)速度可以超過(guò)光速”。比如,兩個(gè)觀察者分別以0.51c的速度向相反方向運(yùn)動(dòng),那么其中一個(gè)觀察者是否會(huì)看到另一個(gè)觀察者的速度超過(guò)光速?答案是否定的。因?yàn)樵诟咚龠\(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中,經(jīng)典力學(xué)的速度疊加公式(v總=v1+v2)不再適用,取而代之的是狹義相對(duì)論的“速度加成公式”:v總=(v1+v2)/(1+v1v2/c2)。我們代入數(shù)值計(jì)算:v總=(0.51c+0.51c)/(1+(0.51c×0.51c)/c2)=(1.02c)/(1+0.2601)=1.02c/1.2601≈0.809c,依然小于光速。這一公式證明:無(wú)論兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度有多接近光速,它們的相對(duì)速度都永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)光速——光速是宇宙中所有有質(zhì)量物體的“速度上限”。

現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)也印證了這一結(jié)論。歐洲核子研究組織(CERN)的“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”(LHC)是目前世界上最強(qiáng)大的粒子加速器,它能將質(zhì)子等微觀粒子加速到99.999994%的光速——這已經(jīng)是人類技術(shù)能達(dá)到的極限。盡管這個(gè)速度與光速的差距只有千萬(wàn)分之六,但要跨越這最后的“鴻溝”,需要的能量卻是整個(gè)宇宙都無(wú)法提供的。

從粒子物理的角度來(lái)看,“有質(zhì)量物體無(wú)法超過(guò)光速”還有一個(gè)更本質(zhì)的原因:光(光子)沒(méi)有靜止質(zhì)量,而普通物體都有靜止質(zhì)量。質(zhì)量的物理意義之一是“抵抗加速度的能力”(慣性)——質(zhì)量越大,越難被加速或減速。光子沒(méi)有靜止質(zhì)量,因此它不需要任何能量就能達(dá)到光速,也能永遠(yuǎn)以光速運(yùn)動(dòng);而普通物體有靜止質(zhì)量,要加速它,就需要不斷輸入能量,速度越接近光速,需要的能量就越多,最終趨于無(wú)窮大。這一差異從根本上決定了:普通物體永遠(yuǎn)無(wú)法追上或超過(guò)光速。

當(dāng)然,科幻作品總是會(huì)為“超光速旅行”尋找巧妙的解決方案。



比如電子游戲《質(zhì)量效應(yīng)》系列,就提出了“質(zhì)量中繼”的設(shè)定:通過(guò)建立“零質(zhì)量通道”,將飛船的質(zhì)量暫時(shí)降低到零,從而突破光速限制,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離星際遷躍。這一設(shè)定雖然是科幻想象,但也暗合了“無(wú)質(zhì)量物體可達(dá)到光速”的物理規(guī)律,體現(xiàn)了科幻與科學(xué)的巧妙結(jié)合。

在物理學(xué)理論中,還有一種被推測(cè)存在的“超光速粒子”——快子(tachyon)??熳拥奶厥庵幵谟?,它的靜止質(zhì)量是虛數(shù)(這在數(shù)學(xué)上是允許的),因此它的運(yùn)動(dòng)速度生來(lái)就超過(guò)光速,并且速度越快,能量越低(與普通物體“速度越快,能量越高”的規(guī)律相反)。需要注意的是,快子的存在目前只是一個(gè)數(shù)學(xué)猜想,沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持;即使它真的存在,也與“普通物體無(wú)法加速到光速”的結(jié)論不沖突——因?yàn)榭熳邮恰疤焐馑佟?,而非通過(guò)加速達(dá)到超光速。

這里再補(bǔ)充一個(gè)相關(guān)的疑問(wèn):既然光子沒(méi)有質(zhì)量,為什么它會(huì)被黑洞的引力束縛,無(wú)法逃脫?這個(gè)問(wèn)題需要用廣義相對(duì)論來(lái)解釋。經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為引力是“物體之間的相互作用力”,但廣義相對(duì)論將引力重新定義為“時(shí)空的幾何彎曲”——任何有質(zhì)量的物體都會(huì)扭曲周圍的時(shí)空,質(zhì)量越大,時(shí)空扭曲越嚴(yán)重。黑洞是一種在極小空間內(nèi)集中了極大質(zhì)量的天體,它周圍的時(shí)空會(huì)被扭曲到極致:在黑洞的“事件視界”(理論邊界)內(nèi),空間的所有方向都指向黑洞中心,形成一個(gè)“時(shí)空陷阱”。

光子之所以無(wú)法從黑洞中逃脫,并不是因?yàn)樗弧耙 保且驗(yàn)樗幍目臻g本身已經(jīng)被扭曲,所有可能的運(yùn)動(dòng)方向都指向黑洞內(nèi)部——即使是光速,也無(wú)法突破這種時(shí)空扭曲。需要強(qiáng)調(diào)的是,黑洞周圍的空間扭曲導(dǎo)致的“超光速”(比如空間本身的膨脹速度),并不違背物理規(guī)律,因?yàn)檫@是空間本身的運(yùn)動(dòng),而非物體的加速運(yùn)動(dòng)。

除了洛倫茲因子的數(shù)學(xué)證明,“物體無(wú)法超過(guò)光速”還可以通過(guò)“因果律”(causality)來(lái)解釋,而且這種解釋更貼近我們的直覺(jué)。因果律是宇宙中最基本的規(guī)律之一:任何事件的“因”都必須發(fā)生在“果”之前,比如“先開(kāi)槍,后中槍”“先傳球,后接球”。如果物體可以超光速運(yùn)動(dòng),那么因果律就會(huì)被打破——在某些參考系中,觀察者會(huì)看到“果”先發(fā)生,“因”后發(fā)生。

舉一個(gè)具體的例子:小明相對(duì)地面靜止,小紅以超光速(v>c)從小明的左側(cè)向右奔跑,小剛以0.5c的速度從右向左奔跑。當(dāng)小紅經(jīng)過(guò)小明身邊時(shí),小明遞給小紅一根棍子(這是“因”);之后,當(dāng)小紅與小剛擦肩而過(guò)時(shí),小紅用棍子打了小剛一下(這是“果”)。對(duì)于小剛來(lái)說(shuō),由于他在向左高速運(yùn)動(dòng),根據(jù)相對(duì)論的時(shí)空轉(zhuǎn)換,他會(huì)先看到“小紅打自己”(果),再看到“小明遞給小紅棍子”(因)——這就完全違背了因果律。如果這種情況成立,整個(gè)宇宙的秩序都會(huì)崩塌:我們可以先看到杯子落地摔碎,再看到有人拿起杯子;先看到考試成績(jī),再看到考試過(guò)程。因此,從因果律的角度來(lái)看,超光速運(yùn)動(dòng)也是不可能存在的。

洛倫茲因子的數(shù)學(xué)證明與因果律的邏輯推導(dǎo),從兩個(gè)不同的角度印證了同一個(gè)結(jié)論:超光速運(yùn)動(dòng)違背現(xiàn)有物理規(guī)律,因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這也就意味著,“超光速即時(shí)間倒流”的猜想,由于前提無(wú)法成立,因此不可能成為現(xiàn)實(shí)。

最后需要補(bǔ)充的是:“無(wú)法通過(guò)超光速實(shí)現(xiàn)時(shí)間倒流”,并不意味著“時(shí)間旅行”完全不可能。廣義相對(duì)論預(yù)言了一種可能的時(shí)間旅行方式——“蟲(chóng)洞”(wormhole)。



蟲(chóng)洞是時(shí)空的“捷徑”,它連接著宇宙中兩個(gè)不同的時(shí)空點(diǎn),就像一張紙上的兩個(gè)點(diǎn),通過(guò)折疊紙張讓它們重合,從而實(shí)現(xiàn)“瞬間穿越”。從理論上來(lái)說(shuō),穿過(guò)蟲(chóng)洞不僅可以跨越遙遠(yuǎn)的空間距離,還可以跨越不同的時(shí)間——比如從現(xiàn)在穿越到過(guò)去,或從現(xiàn)在穿越到未來(lái)。

蟲(chóng)洞的存在性目前雖然無(wú)法被實(shí)驗(yàn)證實(shí),但也無(wú)法被徹底否定。不過(guò),即使蟲(chóng)洞真的存在,通過(guò)它進(jìn)行時(shí)間旅行也可能面臨諸多現(xiàn)實(shí)障礙:首先,蟲(chóng)洞極其不穩(wěn)定,可能會(huì)在瞬間坍塌,需要一種“負(fù)質(zhì)量物質(zhì)”來(lái)支撐它的存在,而負(fù)質(zhì)量物質(zhì)目前只存在于理論中;其次,通過(guò)蟲(chóng)洞進(jìn)行時(shí)間旅行可能會(huì)引發(fā)“時(shí)間悖論”(比如“祖父悖論”:回到過(guò)去殺死自己的祖父,導(dǎo)致自己無(wú)法出生),而解決時(shí)間悖論需要引入“平行宇宙”等更復(fù)雜的理論。此外,還有一個(gè)有趣的“奧卡姆剃刀”式的疑問(wèn):如果時(shí)間旅行真的可行,為什么我們的世界里沒(méi)有擠滿來(lái)自未來(lái)的旅行者?這一疑問(wèn)雖然不能直接否定時(shí)間旅行的可能性,但也暗示了它可能存在難以逾越的現(xiàn)實(shí)障礙。

總結(jié)一下:“超光速即時(shí)間倒流”的猜想,源于對(duì)“時(shí)間膨脹”現(xiàn)象的邏輯延伸,但這一猜想的前提——超光速運(yùn)動(dòng)——違背了狹義相對(duì)論的核心規(guī)律(洛倫茲因子的數(shù)學(xué)約束)和宇宙的基本秩序(因果律),因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)。我們之所以會(huì)對(duì)這一猜想充滿興趣,本質(zhì)上是對(duì)“時(shí)空穿越”的浪漫向往,但科學(xué)的魅力就在于:它既能讓我們看到想象的邊界,也能為我們揭示更廣闊的未知——比如蟲(chóng)洞、平行宇宙等,這些理論依然等待著我們?nèi)ヌ剿骱万?yàn)證。

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