我们怎么能确定没有信息或能量的传播速度能超过光速呢?

时间:2021-11-19 08:31:56   作者:
我们不能确定光速是不能被超越的。但有几件事我们是相当确定的。

首先,相对论的基本假设:存在一个不变的速度。这个假设是由于想调和电磁学和经典力学而产生的。对所有观察者来说,无论他们自己的运动如何,他们的速度都是不变的。

我们怎么能确定没有信息或能量的传播速度能超过光速呢

经典场论可以是“有质量的”或“无质量的”。在无质量理论中,远离场源的影响以不变速度在场中以平面波的形式传播。在大规模理论中,情况更为复杂,影响运动的速度取决于它们所携带的能量和动量。电磁理论可以是无质量的(麦克斯韦)或质量的(麦克斯韦-普卡)。观察告诉我们,电磁场(光线、无线电波等)的影响总是以相同的速度传播,不管它们的能量如何,所以麦克斯韦战胜了麦克斯韦-普罗卡。光以不变的速度传播,证明了我们把这种速度称为(真空)光速的习惯是正确的。

因为不变速度对所有观察者都是一样的,一个直接的逻辑结论是没有观察者能以这个速度运动。一个观察者对他自己总是处于静止(零速度)。但不变速度对所有观察者都是一样的。所以这个观察者会同时观察到自己处于静止状态并以不变的速度运动,这是矛盾的。

同样地,我们发现连续加速度不能使一个小于不变速度的速度变为大于不变速度的速度,反之亦然。所以对于一个观察者来说,任何比光慢的物体对于所有观察者来说都是比光慢的。因此,超光速观察者也不可能存在:否则,他们会同时以超光速和慢光速观察自己(静止,在他们自己的参照系中)。

但这仍然为能够以比光速更快的速度发送信号或传输能量留下了漏洞。相对论也确实没有排除这一点。我们可以假设存在一种被称为“超光速粒子”的粒子,它总是比光移动得更快,没有静止的框架,而且永远不会静止。

在实验中还没有发现超光速粒子。它们的存在会引起严重的问题。超光速的问题在于,对于一个观察者来说,比光速快的东西,对于相对于第一个观察者移动的另一个观察者来说,可能是时间倒退的。如果能合理安排超光速发射器和接收器,就有可能把信号传送到过去。你可以告诉过去的自己上周的彩票中奖号码,或者甚至把信息发给刺客,让他在你的祖父还是个孩子的时候杀了他,从一开始就阻止你出生。这些潜在的矛盾禁止了超光速粒子的存在,只要我们假设我们生活在一个因果宇宙中。

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当然,在物理学中,观测是王道,所以如果我们能明确地探测到超光速粒子,我们的观点就必须改变。也许我们会发现时间旅行是可能的,宇宙之间并没有因果关系。也许我们会找到一些新的原理来约束超光速子,防止它们的存在引发时间旅行的悖论。

但我认为,目前为止,可以肯定的是,速子是不存在的,我们被限制在一个仍然存在可预测的因果关系的宇宙中,代价是必须应对一个普遍的速度极限。
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