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超光速存在的可能性

涉及相对论的众多问题中,历时最长和被最多人误解的或许是超光速的问题了。那么有可能存在超光速吗?超光速与相对论有什么关系,如果超光速可能存在的话将发生什么情况呢?当然,它们是纯粹的物理学问题。

众所周知,如果超光速可能的话,按相对论可能出现因果律的破坏以及“到过去的通信”,其结果引起了专业外的科学家对超光速问题的关心。

需要指出,追求超光速的可能性本身并没有错,问题是按相对论的说法超光速将引起因果律的破坏和“到过去的通信”的主张是错误的。的确相对论与超光速不相容,但是这个事实并不是绝对否定超光速存在的可能性。事实上,相对论不过是20世纪人类偶然获得的一个物理学理论而已。爱因斯坦相对论即使成功地说明若干经验事实,但是仅仅那个理由并不能一跃成为宇宙的一切现象必须绝对地服从相对论的主张。在这个广阔的宇宙,大有可能不服从现代人掌握的科学理论的现象。与将牛顿物理学绝对化不过是人类的骄傲自大一样,将爱因斯坦相对论绝对化也不过是人类的骄傲自大而已。

因此,不能因超光速与相对论的不相容而绝对否定超光速存在的可能性,与相对论的正确与否无关,应该允许超光速是可能存在的。

超光速与洛伦兹变换

所以对所谓因果律的破坏,我们根本上要问的不是超光速存在的可能性,而是“超光速与相对论到底是什么关系”。这是因为主张超光速引起的因果破坏是基于用特殊相对论的洛伦兹变换的计算。

的确,这个计算表面上看好像是正确的。而且几乎所有的科学家认为“实际上”因果律的破坏是否产生另当别论,而这样的计算“在理论上成立”。

但是经过严密的检查,进一步查明实行这样的计算本身是错误的(最终如预言所说,实际进行的计算内容也是支离破碎)。令人吃惊的是,一点没考虑“相对论是什么”这样最根本的问题,而是简单地考虑用相对论来计算。

相对论最根本的基础是什么呢?物理学家在研究物体运动的状态时,有关时间与空间的描述是不可缺少的。所以想对物理运动形成新的理论的物理学家,归根结底必须明确对空间与时间的量在物理上如何定义、如果观测。

牛顿以绝对时间、绝对空间为前提,相比之下,爱因斯坦在相对论中利用光的往返定义时间,从通过光的观测想法来构造理论。所以“利用光的往返定义时间”正是相对论最根本的基础。

那么,如果以超光速运动的坐标系存在将变成怎样呢?显然超光速比光还快,光在超光速运动坐标系中撵不上,所以以光的往返定义时间不可能。即对于超光速,相对论的基础被否定,相对论本身不成立。这个事实如果考虑在特殊相对论中洛伦兹变换就一目了然。如果坐标系以超光速运动,则在洛伦兹变换中时间与空间的坐标变为虚数。我们决不能观测虚数的时间与虚数的空间。说起来我们连用什么样的钟或尺度观测为好都不知道。

原理上观测不可能的东西在物理学上是毫无意义的。正因如此,对于相对论不成立那样的物理现象,如果勉强用相对论计算,则获得令人难以置信的结论是当然的。我们该吃惊的不是荒诞无稽的结论,而是天真、浅薄的想法。

更有甚者,我们退百步讲,既然承认用相对论的计算,也不可能有到过去通信那么回事。那么利用超光速信号到过去通信的说法,不过是若干错误与支离破碎的计算捏造出的典型的空话而已。

超光速与因果律的破坏

对到过去通信的分析前,先就其前提的因果律破坏加以考察。假设从地球向以速度U运动的火箭发射速度V的超光速粒子,光速为C。对地球观察者来说,超光速粒子撵上从地球发射的火箭。但是对火箭观察者来说,如果满足一定的条件,即UV>(C×C),则通过洛伦兹变换计算,显示超光速粒子的“发射时刻”与“到达时刻”的两个时间顺序倒过来。即对火箭观察者来说,超光速粒子在从地球发射之前就已经撵上火箭了。这就是所谓的因果律破坏(按因果律破坏的条件是超光速粒子的速度U与火箭的速度V的乘积大于光速C的平方。如果超光速粒子存在,则满足这个条件是可能的)。

乍一看这结果确实骇人听闻,如果利用超光速信号果真能自由地与过去的自己通信,则甚至有可能按自己想法改变现实世界。例如升学考试失败的人通过到过去的通信在考试之前就知道考题的正确答案,结果以满分进入自己理想的大学。再如将有关价格上涨的股票信息送达过去的自己,则轻易地变成了富翁,由此世界岂不陷入大乱!

难怪渴望实现时间旅行的人齐声高呼“突破光障了”!但是,可悲的是在导出惊人结果前用洛伦兹变换计算本身已经错了,而且从承认时间顺序倒转,实际并未发生什么奇怪的事件。

现在我们冷静地分析在时间顺序倒转上观察到了什么,因为超光速粒子的“发射时刻”与“到达时刻”的倒转,对火箭观察者来说,“先是”超光速粒子到达火箭,“其后”是火箭被发射。即超光速粒子“先是”在火箭的身边,其后逐渐远离火箭,“最后”到达地球。这对火箭观察者来说,观察到超光速粒子宛如从火箭朝地球方向运动似的,这是因为超光速粒子随着时间的流逝变为从火箭向地球运动。

但是这个逆行不用说并非是向过去的运动。这是因为超光速粒子好像到达地球的时刻是在离开火箭时刻之“后”,即未来的时刻。所以超光速粒子不过是做“空间上”的逆向运动,而非做“时间上”的逆向运动,人类是不可能观测到时间倒流的运动。

在此需要注意的是超光速粒子是在地球上控制火箭的人发射的,不是坐在火箭上的宇航员按自己意志发射。对宇航员来说,尽管自己什么也没干,超光速粒子依然从火箭钻出来向地球飞去,而且是向着地球的未来运动。随意地将这样的现象解释成“宇航员能够传递向过去的信号”,说实在的宇航员是任何信息操作都不可能干的。

假设有两名互相静止的观察者A和B。假定从A→B驶过超音速飞机。这个情形如果用声音观察,则B先听到超音速飞机到达B时的声音,其后才听到超音速飞机从A出发时的声音。B观察者将从A→B运动的超音速飞机发出的声音听作宛如B→A进行的方向。

超音速飞机是现代极普遍的交通工具。我们没有因为超音速飞机的声音逆向而大声嚷嚷:“不得了了,因果律破坏了!”也没有认为超音速飞机的声音传到了过去。

看来因果律的破坏不外乎是信赖于“观测手段的选择方法”的表面现象。比光快的超光速粒子存在时用光观测,比声音快的超音速飞机存在时用声音观测,则产生因果律的破坏是理所当然的,完全没有必要合乎洛伦兹变换。

如上所述,爱因斯坦相对论用光定义时间,以光为基础的观测理论,而且一旦假定相对论不容的超光速存在,得出奇怪的结论也是理所当然的。

作为观测标准信号越快越好,这就是为什么假定超光速的存在,最好能建立不是以光而是以超光速为标准的理论。

通过以上分析,查明了即使超光速粒子存在也并不是简单地说到过去的通信成为可能。但是在此不要急于下结论,这是因为能很好地利用超光速粒子的其他理论,一般认为根据那个理论确有到过去通信的可能。下面我们继续进一步分析,明确解决超光速的问题。

果真到过去通信吗?

首先从地球向火箭发射超光速粒子,但是这次超光速粒子从火箭马上返回地球。如果那样的话,超光速粒子在从地球发射时刻前返回地球。

这种情形,返回地球的超光速粒子是原来在地球上控制火箭的人发射的。所以如果这个理论正确的话,则在地球上的人能按自己的意愿向“自己的过去”发送信号。

具体说明如下:

(1)首先,从地球向火箭发射超光速粒子的情形,通过用洛伦兹变换计算,显示超光速粒子比发射时刻早撵上火箭。

(2)其实,从火箭向地球送回超光速粒子的情形,用上述完全同样地计算,结果显示超光速粒子比火箭送回时刻早返回地球。

(3)由此由这两个过程得出如下结果:超光速粒子在从地球发射之前撵上火箭,而且进一步在那之前返回地球。这个正是到自己过去的通信。

这个理论看起来好像是出色地使用洛伦兹变换完整的计算,因此包括许多物理学家在内相信,如果超光速信号可能,则确实能实现到过去的通信。

令人可悲的是,这个计算虽然做的完美无缺,确是胡说八道。人们被3层错误捏造的空话所欺骗。我们分析这样计算之际应注意的重点是,计算是以任意的立场(坐标系)为标准做的。特别是在相对论,根据什么样的立场计算,结论是完全不一样的。

回顾上述(1)、(2)不难发现:

①从地球发射超光速粒子的情形,以“地球为标准”计算的。即以地球为标准用洛伦兹变换计算,则火箭观察者说观察到超光速粒子在发射时刻之前撵上火箭。

②从火箭送回超光速粒子的情形,是“以火箭为标准”计算的。即以火箭为标准用洛伦兹变换计算,则地球观察者说观察到超光速粒子在发射火箭时刻之前返回地球。

显然,将两个以不同立场为标准的计算结果随意地联系在一起。我们感到吃惊的不是到过去通信成为可能的奇怪结论,而是勉强做出这个奇怪结论的支离破碎的计算本身。

这样支离破碎的计算能被允许吗?回答当然是否定的。如果始终如一地从同一立场计算,结果,就是另一回事,不会出现因果律的破坏。例如从火箭送回超光速粒子时也从“地球的立场”观察,尽管火箭与超光速粒子正在做反方向运动。这个事实意味着超光速粒子的速度U与火箭的速度V是不同的,两者的积为负值。按照因果破坏的条件UV>(C×C),UV的积负值没有大于正值的C。虽然,这个情形没产生所谓因果律的破坏。

正确的回答是不管超光速粒子速度多快,往返地球与火箭之间是需要时间的,所以超光速粒子当然向未来运动。再如,即使假定超光速粒子是无限速度,至多不过与发射时刻同一时刻返回,即至多仅向现在的自己发信号。

这样所谓利用超光速到过去通信的幻想的真相也就一清二楚了。再说在量子力学上超光速被认可存在,但实际上不可能用来作为传递某些信息的信号,所以不必担心从这个超光速到过去的通信或现实产生因果律的破坏。

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