自爱因斯坦的相对论百年前问世后,光速一词就在大众心中占据了一种莫名的神圣地位。
一方面,他们很难接受时间会随速度提高而变慢的客观事实,另一方面,却又热衷于传播超越光速可导致时光倒流这一荒谬言论,为何荒谬,因为光速不可超越,那又是谁禁止了超光速?是相对论吗?不,其实是一个更本质的真相,那就是因果律。
我相信这一观点,可能有很多朋友都没有听说过,因为在现在的这个科普大环境下,大家最容易接收到的解释有这两种:
第一种:狭义相对论有个结论,物体的质量会随着速度增加而增大,因而在速度接近光速时,物体质量会趋向于无穷大,因此想要进一步加速,就要耗费无穷多的能量,显然这是不可能发生的事情,因此光速不可超越
第二种解释:狭义相对论有个底层的数学框架,洛伦兹变换,里面有个因子非常重要,如图,v是速度,c是光速,由于根号里面不能是负数,并且分母也不能为零,因此速度v就要小于光速c
不过这里要强调一下了,就是刚才这个数学式,根号内不能是负数,前提是在实数系讨论这个问题,所以一旦我们将其扩充到虚数,那也就没什么数学限制了,至于分母不为零,这个更好解决,把分母移到等式另一边就行了,所以实际上在数学层面,并没有限制速度不能超光速。
也就是说物体也能拥有虚质量,可能有些人会认为我在瞎扯,但实际上这类的物理理论是存在过的,比如说一类从未探测到的粒子,叫做快子
并且这个东西是完全符合狭义相对论的,虽然它的速度是大于光速的,是不是又更加感到懵逼了,其实我们可以认真思考一下,狭义相对论只有两条基础原理,一个是狭义相对性原理,一个是光速不变,并没有直接说谁谁谁的速度不能比光速大。
因此我们这里说的快子,实际上就是一种生来速度就比光速快的物质,就如同光子生来就是光速一般,只不过快子的速度有个下限,就是不能低于光速。
然而不论是我们正常世界里的超光速,还是快子那样镜像式的超光速,都不可能实现,因为它们都违背了一个更加被人们所认同的规则,因果律,因为速度大于光速的物体,会直接破坏因果联系,就好比开枪射击靶子,开枪在前,中靶在后,无论如何都不可能先中靶,再开枪对吧?
那么因果律到底是如何与超光速联系上的呢?
我们还是以开枪这件事作为例子,因为我们的探讨是建立在狭义相对论框架下的
因此至少需要准备两个惯性参考系,比方说参考系k,讨论平面空间上的情况,k的坐标系为直角坐标系,另一个参考系为k撇,以速度v匀速沿着x轴运动,此时在空间某地有人开枪射靶。
首先k系,开枪的时间设为t1,中靶时间为t2,子弹射出时的空间位置为x1,中靶位置为x2,因此就有一个时间和空间的间隔,δt=t2-t1,δx=x2-x1,其实当间隔极短时,我们可以用微积分的写法,把δ改成d,不过写法的变换是无所谓的啊,同样的分析方式用在k撇系上,也有类似结论
很显眼,由于同时的相对性,这两个时间间隔并不相等,考虑到洛伦兹变换,里面给出了t与t撇的关系,这里的伽马代表的是这个数学式,因此两个时间间隔的联系也可推导出
这时候我们就要考虑了,从哪个地方把因果律合理地安排进狭义相对论呢?很简单,那就是时间间隔,因为先开枪后中靶,这是一个铁的事实,不论你是从k系还是k撇系,都会有这个事实发生,也就是先因后果,对应的就是δt和δt撇都是大于零的。
因此就在δt大于零的条件下,看看在特殊的情况下δt撇会小于零,如果能找到这个情况,那么根据因果律的要求,这种情况就必须被否定,被摒弃!否则就会发生先果后因的事情了。
为了找到这个特殊情况,我们设δt撇小于零,也就意味着等式右边要小于零,最后算下来也就是(下图式子)大于光速平方
请注意,这里的v是参考系之间的相对速度,。是子弹相对于参考系k的速度,这二者之积要大于光速平方,可以得到结论,这二者必有一个大于光速,这个式子才能成立。
所以很幸运,这个特殊的情况被我们找到了,为了满足因果律,不论是参考系之间的速度,还是物体对于参考系的速度,都不能大于光速,否则就会导致因果联系被破坏。
因此我们只能设定,物体的运行速度或者是信号传播速度都不能大于光速,这才有了标题所言的是因果律禁止了超光速现象的出现。
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