狭义相对论如何限制超光速

flyk0tcfb46p9f 2020-09-02

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聊起超光速的话题很多人都会有各种的迷惑，在物理学里光速到底凭什么成为了一道鸿沟，成为了一道界限，这个界限所限制的到底是什么？

狭义相对论如何限制超光速

在19世纪末，知道了光是电磁波并且测量出了光速，之后发现了一个问题，那就是根据麦克斯韦方程组可以推导出光在真空中的传播速度是一个定值，但是这条公式里边没有关于参照系的参数，于是大家就琢磨，这个应该是绝对参照系里边光的速度，光有一个传播介质，这个介质被称之为——以太。

以太，相对于绝对参照系是静止的，那么如果相对于这个绝对参照系有相对运动的话，光速应该是随着不同的相对运动有着不同的数值，但是这个想法很快就被打脸了。

1887年的迈克尔逊·莫雷实验就证明了，光在任何方向上都是不变的，之后洛伦兹、爱因斯坦等人对这个现象给出了解释，特别是爱因斯坦的解释比较有革命性的，一篇论文《论运动物体的电动力学》开创了狭义相对论，狭义相对论有两个基本原理：

第一个基本原理：光速不变原理——在任何惯性参照系中，真空中的光速是一个恒定值。
第二个基本原理：狭义相对性原理——在任何的惯性参照系中所有的物理定律有相同的表达式，所有的惯性参照系权利都是相等的，人们无法在一个惯性参照系中经过物理测量来分辨自己是静止的还是运动的。

狭义相对论这两条基本原理并没有提及超光速的事，限制超光速的事是在爱因斯坦的推论之中，狭义相对论有以下的推论：

①时间延缓（时间膨胀）

在一个相对于你运动的参照系里，以你的视角来看，这个参照系里的时间会变慢，这个参照系的运动速度越快时间越慢，当这个参照系的运动速度等于光速的时候，在你看来这个参照系里的时间它是静止的。

②长度收缩

在一个相对于你运动的参照系里，以你的视角来看，这个参照系里的空间长度，会在这个参照系运动的方向上发生收缩效应，这个参照系如果相对于你是水平运动的，那就是在这个水平方向上的长度会收缩，如果这个参照系相对于你是竖直运动的，那这个参照系里竖直方向上的长度就会收缩，而且这个参照系的运动速度越快收缩效果越明显，当这个参照系的运动速度等于光速的时候，这个参照系在运动方向上的空间长度就会收缩为0。

③质量增加

一个相对于你运动的物体它的质量是会增加的，它运动的速度越快质量越大，当速度等于光速的时候，质量无穷大。

狭义相对论的推论有很多，这3个最为常见，之所以很常见是因为这3个推论比较反直觉，另一个重要原因就是推论背后所暗示的意思。

时间延缓，限制了信息传递的速度不能超越光速

为什么呢？

因为信息传递的速度一旦超光速就会违反因果律，因果律说的是第1个事件（因）和第2个事件（果）之间的关系，其中在时间线上，因必须要在果之前。

举例说明：

你今天买了张彩票，明天一看中奖了。

买彩票就是——因，
中奖了就是——果。

在时间线上买彩票这件事肯定得在中奖之前，但是如果信息的传递速度超过光速就会违反因果率，也就是说会导致结果发生在原因之前，换句话说，就是你可以接收到来自未来的信息，这个在狭义相对论的数学表达式中可以推导出来。

思维实验：

假设有一艘宇宙飞船，它可以接近光速飞行，根据时间延缓效应它可以快到地球上的时间走了一天，宇宙飞船上面的时间只走了半天，而且瞬间就可以加速到这个速度，而且宇宙飞船和地球之间有超光速的通信，假设这个超光速的通信信号传播速度是无穷大的，那么会发生什么？

假设在3000年的1月1号00：00，你乘坐这艘船出发去宇宙里兜风，你出发的时候飞船上的时间和地球上的时间都是3000年的1月1号00：00。

10天之后，也就是3000年的1月10号我看见了有个彩票的投注网站发布了头奖号码，于是我用地球上的超光速信号给你发了一个信息，告诉你这个彩票的中奖号码，并且请求你把这串头奖号码再发回给我一下。

那么在我这个地球人事情会是怎么样的呢？首先这个信号是无穷快的，多远的距离都是瞬间抵达，因为这个飞船的速度导致的时间延缓效应地球上这是从1月1号过到了1月10号，过了大概10天，而飞船上也就是过了5天左右，也就是说飞船上的时间是在3000年的1月5号接收到我的信息。

那么再来看看飞船上的你的眼里发生了什么事？你会在出发的5天以后接收到我的信息，在3000年的1月5号接收到了我的信息，也就是说在飞船里你的眼里出发5天以后收到并且发出了一个信息，这个信息的内容就是彩票中奖的号码，但是运动是相当的，你在以很高的速度远离地球，那么地球也在以很高的速度远离你，在你看来地球上的时间也是变慢的，而且变慢的程度和地球上看也是一样的，也就是说在你看来地球上的时间比你也慢了一半，也就是说你在这里过了5天，在你看来地球上只过了两天半，因为这个信号的传播速度是无穷快它能瞬间抵达，也就是说地球上的我会在你出发后的两天半地球时间的1月3号收到你发给我的头奖彩票信息，大家是否还记得我是什么时候发给你的中奖彩票号码（1月10号），我在1月10号给你发的信息，在1月3号收到的回信，我1月3号就知道了7天后的彩票中奖号码，这显然违反了因果律。

其实信息传递速度不必是无穷大，只要它超过光速就可以产生违反因果率的效应，违反因果律会产生各种悖论，比如说我是提前知道了彩票的中奖号码，如果我选择在1月10号不发给你中奖号码行不行啊？我是因为没有中奖才发给你吧，我中奖了还发给你干嘛！但是呢，我如果不发给你，那我又怎么提前7天知道中奖号码的呢？各种自相矛盾，所以狭义相对论的时间延缓效应限制了信息的超光速传播。

信息传播速度不仅仅是说它直接的传播速度也包括间接的传播速度，例如不仅仅光不会超过光速，光斑、阴影等等这些的速度也不会超过光速，目前还没有发现任何能以超光速传播信息的方式。

狭义相对论限制了有质量的物体超光速

当有质量的物质它在移动速度接近光速的时候质量会向着无限大的方向进发并且没有上限，随着质量越来越大，加速会越来越难，当一个有质量的物体移动速度等于光速的时候，它的质量是无穷大的，它蕴含的能量也是无穷大，所以狭义相对论的质量增加效应限制了有静止质量的物体在空间中移动的速度达到光速。

超光速真的可以吗？

第1个超光速的事情，就是那些不能传播信息的波，某些看起来的波动确实好像是可以超过光速，比如说某些玻璃的像速度，所谓像速度，就是说玻璃的某个固定相位移动的速度。

举例说明：

地月距离大概是38万公里，光从地球走到月球也需要1秒钟多，光速是299792458m/s（约=300000000m/s），现在假设就找3亿个人，等距离安插在地月之间，给他们每个人手里配一个闹铃，响铃时间的设置是从地球到月球的方向上相邻的每一个闹铃相差都是1/300000000秒，而且每个闹铃的响应时间间隔是1秒钟，也就是说每个闹铃的响铃时间都比上一个人滞后1/300000000秒，每个闹铃响完了之后间隔1秒钟以后会再响，这3亿个人一听到手里的闹铃响就起立，然后坐下，一旦这个实验开始，我们会看到人浪，有波峰，有波谷，人站起来就是波峰，人坐下就是坐下就是波谷，而且这个波的行进速度非常的快，1秒钟就能从地球传到月球（比光速还快），那这个波的波峰或者是波谷的行进速度那就是超光速了，再比如说把刚才这3亿人均匀安插在整个930亿光年的可观测宇宙里，那么这个涌动的人浪，可以1秒钟从宇宙的东头传到宇宙的西头。

但是呢，这个速度并没有传递任何的信息，最远处的那个人只是在自己的闹铃响了之后起立了一下，他只是重复自己早就被设定的任务而已，他并没有接收到任何信息，想要在这3亿人的长队里传递一个信息，比如说“我是外星人”，一个人接一个人的传下去，那么这个信息在这个长队里传递的速度就肯定在光速之内，所以说超光速的现象只是外在的表现而已，它并没有违反狭义相对论中对于超光速的限制。

第2个超光速的事情，就是宇宙空间的膨胀速度，这个是实实在在的超光速现象，根据哈勃定律在大尺度上越是遥远的星系越是加速离我们远去，而且远离的速度和它与我们的距离成正比关系。

这里要注意的是这个远离速度，并不是说空间没有变，来自遥远天体的电磁波的吸收谱线告诉我们遥远的星系并不是在空间上逃离我们，而是整个宇宙空间本身在膨胀，如果只是星系在空间上远离我们，我们看到的红移现象应该是多普勒红移，而非宇宙学红移，多普勒红移与宇宙学红移之间是有着很大的差别的，多普勒红移中一段电磁波从发射源出来以后，它的长度是固定的，而在宇宙学红移之中已经发射出来的电磁波因为在空间中的传播空间本身在膨胀，这就会导致这个电磁波会被拉长。

总之，哈勃定律告诉我们宇宙空间到处都在膨胀，也就是说一旦某些天体距离我们足够远，它和我们之间的空间膨胀速度可以累积到超越光速，那么这些天体的光线、信号将永远无法传递到我们这里，只有在这个距离以内的宇宙是可观测宇宙，可观测宇宙以外的天体，都在以超光速离我们远去。

根据刚才说的有质量的物体无法加速到光速，那这个不是自相矛盾吗？其实并没有，这里要注意的是，狭义相对论里光速的极限说的是物体在空间中的移动速度，而宇宙膨胀并不是物体在空间里的移动速度，它是空间本身的膨胀速度，宇宙的膨胀并没有被狭义相对论所描述。

打个比方，狭义相对论里的光速极限说的是一个人在传送带上的跑步速度无法达到某个极限，但是呢，它并没有限制这个传送带可以有多快，一个足够快的传送带就算是带着一个躺在上面的人，这个人远离我们的速度是可以超过我们的极限跑步速度的，宇宙膨胀的速度超过光速，这个确实有但是它并不和狭义相对论中光速的极限相冲突。

第3个超光速的事情，就是被称之为鬼魅般的超距作用的——量子纠缠。

量子的世界充满玄幻，即使是科学家之间也会因为对一个现象的理解不同而争得面红耳赤，在这些争论之中以尼尔斯·玻尔领导的哥本哈根诠释，是目前最为主流的量子力学体系，爱因斯坦等大仙级别的人物，终生都没有撼动这个体系，直到目前为止实验数据都是站在哥本哈根诠释这一边的，在这个体系里边有几个非常难以理解的概念，比如——概率解释、叠加态的解释。

这些解释认为，一个微观粒子它的许多状态在你测量之前它是叠加在一起的，比如一个粒子在测量前你说它是自旋向上还是自旋向下？它是既向上也向下的？或者说它是处于自旋向上和自旋向下的叠加态中的？但是只要去测量就会以概率的形式呈现某一个确定的状态，不测量的话如何知道粒子是叠态的呢？即使没有观测也可以说它的某些状态是叠加态的，比如最美物理学实验之一的单个电子双缝干涉实验，你一个几乎无穷小的电子是怎么通过这两条缝的呢？根据干涉条纹只能说它是同时通过了这两条缝，在通过双缝的时候它是既通过了这条缝也通过了那条缝，自己和自己发生了干涉，自己和自己干涉的这个波它是一种波。

哥本哈根诠释说这是概率波，是电子出现在某一个位置的概率的波，爱因斯坦听了这个解释后，认为哥本哈根诠释是不存在的，于是他和 P:波多尔斯基和R:罗森提出了EPR佯谬的论文，论文中阐述了定义论和实在论：

定义论——信息不能超光速传递否则违反因果律。
实在论——人们观测到某种物理现象，这个现象是出自于某种客观的物理实在，而这种实在性的东西与观测无关。

比如说温度、压强、位置速度等等，这些东西即使你不看它不去观测它，它都是实实在在的存在，也就是实在论说的是无论人们看不看月亮，月亮都会在那里。

论文中认为如果不干扰一个物理系统而能准确预测出它的某个物理量的值，那么这个物理量就是实实在在的东西，也就是物理实在，比如从斜坡上滚向光滑平面的小球，只要知道它的初始速度和高度，它滚下以后即使不再去测量它，也能知道它在某一时刻的速度数值，那么速度这个物理量就是这个小球的一个实实在在存在的属性，而能够精确描述这个物理量，是一个物理理论体系完备的必要条件。

论文的第2部分给出了一个思想实验：两个相互作用的粒子a和b分开以后互相远离，在距离相当远的时候对其中的一个粒子a进行某个物理量的测量，比如测量动量，测得数值之后因为a、b这个系统的动量守恒，那么另一个粒子b就能瞬间知道了它的动量，值得注意的是这个时候另外一个例子b距离我非常远了，远道根据这个定律论我对a的测量完全影响不到b的状态，那么如果把b看作一个独立系统来看，也就是说我没有干扰b运行的这个系统而准确的预测了b的动量，也就是说b的动量是一个实实在在的存在。

同样的道理，位置也是一个实实在在的，那么对于动量和位置，这是两个实实在在的存在，但哥本哈根诠释里的不确定性原理却说这两个量不可以同时确定，也就是说这套描述是不完备的而且这个不确定性原理来说，粒子的动量和位置都是不确定的，但是当我在遥远的距离以外测量a的动量的时候，b的动量瞬间就有了确定值。那么这个b是怎么瞬间知道的呢？这就是鬼魅般的超距作用，后来薛定谔把这种具有量子关联的现象取了个名字叫做——量子纠缠。碍于当时的实验技术手段人们无法验证这个EPR论文中说的这个鬼魅般的超距作用是否是真的，但是在理论上是一个瞬时作用而跟距离无关。