爱因斯坦的狭义相对论支配着我们对时间和物体运动速度的理解。在狭义相对论中,光速是宇宙的终极速度极限。宇宙中每一个运动的物体都受到这个基本极限的制约。
这不像声速那样。早期的科学家们曾怀疑我们是否能超越那个速度,但这并非因为宇宙有什么基本规则,而是因为我们不知道我们的工程和材料科学能力是否能承受以如此速度移动产生的极端湍流。但日常物体已经超越了声速。例如,鞭子的啪啪声是由鞭梢产生的音爆引起的,因为它移动速度超过了声速。
什么比光速更快?
没有任何东西可以比光速更快。试图超越它的问题在于,你速度越快,动能就越大。但相对论告诉我们,能量等同于质量,所以你速度越快,质量就越大(是的,这意味着一个运动的棒球比静止的棒球质量更大,但这只是一个微小的效应)。
当你接近光速时,你的质量会膨胀到无穷大。你越接近光速,你的质量就越失控。质量越大,你需要更强的推力来加速,你很快就会发现自己处于这样一个境地:克服光速需要无穷大的能量。
这不仅仅是巧妙工程或找出某种技巧的问题——这是宇宙结构的一部分。
尽管如此,有一些提案提出设计专门的装置,声称可以在不完全违反相对论的情况下超越这个极限。这些概念之所以可行,是因为狭义相对论是局部物理学的定律:它告诉你,你永远无法测量到附近的运动速度超过光速。
例如,虫洞可以让你比正常通过空间旅行更快地到达遥远的目的地,即使你可以在虫洞中以你想要的任何慢速度旅行。所谓的“阿尔库贝利引擎”本质上是一种曲速引擎,它会扭曲你周围的时空,从而能够以你想要的任何速度向前推进——甚至超过光速——而无需启动火箭。
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负质量和时间倒流
但这些奇思妙想有两个缺点。首先,它们要发挥作用,都需要使用某种奇异形式的物质,即具有负质量的物质。负质量非常奇特。如果你掉下一团负质量的球,它会飞起来。如果你踢那个球,它会向相反的方向滚动,等等。它会彻底颠覆我们对运动和动量的所有认知,而且我们在宇宙中完全没有负质量存在的例子。没有负质量,你就无法建造虫洞或曲速引擎。
其次,超光速能力会自动允许时间倒流。一旦你构想出绕过光速限制的方法,你就可以设置信号(或宇宙飞船)在出发前就返回原点的场景。这会引发各种混乱的因果律违背情况和悖论,比如放下炸弹在飞船出发前将其摧毁——但如果它不出发,炸弹就永远不会送达。
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超光速旅行未来可能实现吗?
鉴于因果律在我们的宇宙中似乎很重要,过去安全地留在过去,原因总是先于结果,违反现实的这一方面似乎也是不可能的。
光速限制已经根植于宇宙中最基本的联系中:通过狭义相对论表达的空间与时间之间的关系。每一次我们检验这个理论,我们也在检验这个理论的每一个其他方面,包括其光速限制。而狭义相对论可能是科学中最经得起考验的理论之一。一个多世纪以来,它一直屹立不倒。
这并不是说,在遥远的未来,人类不可能构想出一种全新的物理学理论,彻底改写我们对速度、空间、时间和因果关系的理解。这使得我们无法完全排除超光速旅行的可能性。但目前看来,我们以及宇宙中的一切,似乎都永久地被困在了慢速车道。
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文章来源
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Quanta Magazine。物理学家利用量子计算机创造了全息虫洞
Phys.org。什么是阿尔库贝利“曲速”引擎?
NASA.gov。当代物理学中的负质量















