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超光速就一定能回到過去?答案遠非那麽簡單!

2024-10-17科學

愛因史坦的相對論是現代物理學的基石之一,其名聲如雷貫耳,可謂是家喻戶曉。然而,這背後的名聲不單是理論本身的優越性,更得益於媒體的廣泛報道。然而,真要領會相對論的真諦,絕非三言兩語所能概括,因此社會上出現了諸多對相對論的誤解和謠言。其中,最為常見的可能是——「相對論認為,只要超越光速就能回溯時光」。

關於這一謠言,我自己就有親身經歷,因為在初中時,我深信不疑,總以為只要超越光速就能回到過去。至於我是從何處得知的,記憶已模糊,但當時對於愛因史坦的敬仰之情,猶如滔滔江水連綿不絕(這得益於我讀過的書籍和電視上的科普節目)。

實際上,這一謠言的源頭確實出自愛因史坦的相對論。在相對論問世之前,人們對世界的理解多基於牛頓的絕對時空觀,認為時間和空間是獨立存在的,任何物體在空間的運動變化都不會影響到時間的流逝,每個人對時間的體驗都是相同的。(這種觀點與人們的日常生活經驗十分契合)

在這樣的認知背景下,人們難以將光速與時間聯系起來。但隨著愛因史坦的狹義相對論誕生,時間和空間變得緊密相連,形成一個整體,光速也成為其中的關鍵因素。(實際上,狹義相對論即使不是愛因史坦提出的,也將很快被其他科學家提出,因為當時的科學發展已經預示著一場重大的變革)

狹義相對論有幾個非常著名的推論,如「鐘慢尺縮」,即在靜止參考系中運動的物體,其長度會縮短,時間會變慢。其中關於時間的推論尤其引人註目(除了本文討論的謠言外,還存在所謂的雙生子佯謬這一長期爭論的話題)。

很多人對這一結論的認識只停留在「物體速度越快,時間流逝就越慢」的層面上,進而有人推測(甚至參考了相關的公式):如果速度越快時間越慢,那麽達到光速時,時間不就靜止了?如果速度能超越光速,那麽時間豈不是倒流,我們就能回到過去?

乍一看,這個結論似乎合情合理(尤其是對於外行而言),但實際上,這個結論從根本上就是錯誤的,因為物體的速度是不可能超越光速的,即便是達到光速也是不被允許的(這裏指的是具有靜止品質的物體,光子則不適用)。

為什麽會這樣呢?因為狹義相對論中還有一個重要的推論在限制著物體的速度,那就是質速關系,即隨著速度的增加,物體的品質也在增加,當速度趨近於光速時,物體的品質將趨近於無窮大,顯然,宇宙中不存在足夠的能量來實作這一過程。

即便我們不能回到過去,但我們卻有可能前往未來。時間的變慢意味著外界的時間在加速流逝。例如,乘坐亞光速飛船去宇宙中旅行,自己可能只覺得過了五年,但回到地球時,卻發現已經過了數千年。這不正是穿越到了未來嗎?

但有人可能會質疑,狹義相對論是在慣性系中推匯出來的,而慣性系只是理想狀態,現實中並不存在,那麽在廣義相對論中,物體是否可能超越光速呢?答案依然是否定的。狹義相對論作為廣義相對論的特殊情況,兩者在本質上是相通的。換言之,物質在時空中沿著類時曲線(光子則沿著類光曲線)運動,而具體是哪種時空並不重要,無論是平直的還是彎曲的都成立。

這些曲線就是物體的運動世界線,代表了物體在時空中的路徑。物體在時空中的每一個點都對應著一個特定的時刻和空間位置,將這些點連結起來,便形成了世界線。

實際上,有三種曲線:類光、類時和類空。在平直時空中,類空曲線表示物體進行超光速運動,但這是相對論所禁止的。我們可以簡單地理解為:在相對論中,類空曲線是不存在的。

如果不用上述的幾何語言,而使用「相對於某個參考系的速度」等語言來描述,則無法簡潔地解釋問題,因為在非慣性系中,透過座標計算得出的光速可能並不是我們熟知的每秒約三十萬公裏。

然而,科學家們在廣義相對論中發現了一些閉合類時曲線的存在。這意味著,在不違反相對論的情況下,我們有可能返回過去。打個比方,在三維空間中,我們可以輕松地回到原點(如透過圓周運動),那麽在時間維度上,如果我們能進行「圓周運動」,即在四維時空上畫出一條閉合的類時世界線,那不就是回到了過去嗎?然而,這只是一種理論可能,目前來看,在現實中實作似乎並不容易。

盡管廣義相對論也不允許類空曲線出現,但我們仍可以透過利用重力時間膨脹效應來穿越未來,這一點在電影【星際穿越】中得到了生動展現。在強重力作用下,時間的流逝會變慢,我們可以靠近黑洞「逛一圈」,減緩自身的時間流逝,然後返回地球,發現已經過了很長一段時間。

綜上所述,「速度達到光速,時間靜止;速度超越光速,時間倒流」只是一個誤解。因此,關於「超過光速可以回到過去」的說法,實則是一個謠言。