超光速與時間倒流

華慶富

摘要：在低速運動的情形下，同時、時間均勻、長度不變都是毫無疑義的概念.但是在近光速甚至超光速的環(huán)境中，同時是相對的，時間是可以變快或者變慢的，長度也是隨著速度而改變的.在超光速的情形下，時間甚至能夠倒流.

關鍵詞：同時的相對性；動鐘變慢；超光速；時間倒流

我們現(xiàn)在的航行，速度遠遠低于光速，而超光速航行，更是離我們遙不可及的事情，但是聰明的你我，可以展開豐富的想象，描繪一下超光速航行途中的奇遇.不過，要想描述好這些奇遇，還是要從愛因斯坦的相對論開始.

阿爾伯特·愛因斯坦（Albert.Einstein）（1879-1955），美籍德國猶太人.1921年諾貝爾物理學獎獲得者.他創(chuàng)立了代表現(xiàn)代科學的相對論，并為核能開發(fā)奠定了理論基礎，它的深刻影響及廣泛應用方面開創(chuàng)了現(xiàn)代科學新紀元，被公認為自伽利略、牛頓以來最偉大的科學家、思想家.在這個改變世界的學說里，他向我們介紹了我們聞所未聞的觀念.

一、眼見不一定為實——同時的相對性

“眼見為實”這個成語我們都用了多少年了，現(xiàn)在這個成語竟然不管用了？別急，我們不妨走進一輛高速行駛的火車來做個實驗.如圖1所示，假如一輛向右行駛的列車的一個長方體車廂中，其天花板中央吊著一盞關閉的吊燈（如圖中小方框所示），吊燈正下方的車廂內(nèi)站著實驗員A；該節(jié)車廂外在站臺上有一個實驗員B與實驗員A站在同一豎直線上；若實驗員A、B同時測量吊燈打開后光線（兩條光線在同一直線上，并垂直于車廂兩側(cè)平面，平行于車廂其余四面）照射到車廂左右兩側(cè)的時間，那么兩個實驗員測得的結(jié)果會不同：

對于實驗員A而言，他的參考系為車廂，因此吊燈相對于車廂是靜止的，所以光線照到車廂左右兩側(cè)的時間是相等的.若設車廂長為2L，光線到達車廂左右兩側(cè)的時間分別為t1、t2，光速為c，則有：t1=Lc= t2.

對于實驗員B而言，他的參考系為站臺，因此吊燈是運動的，其運動狀態(tài)與列車車廂相同，則此時光線照到車廂左右兩側(cè)的時間是不等的.因為向左的光線由于與車廂左側(cè)反向運動，向右的光線與車廂右側(cè)同向運動.由基本的追及問題原理可知，兩個在同一直線上勻速直線運動的物體，速度快的追及速度慢的時，相向而行比同向而行所花的時間少.若v快>v慢，s≠0，則s/（v快+v慢）< s/（v快-v慢）.回到上面的問題，因為吊燈的光速c遠遠大于列車的車速v，而路程L≠0，所以L/（c+v）< L/（c-v）.也就是說，向左的光線到達車廂左側(cè)的時間要比向右的光線到達車廂右側(cè)所花的時間短.也可以這樣理解：對于B實驗員而言，當向左的光線到達車廂左側(cè)時，實際上左側(cè)已經(jīng)向右移動了一段距離，即圖中的△L，而當光線運動到車廂的右側(cè)時，右側(cè)已經(jīng)向右移動了一段距離，也等于△L，所以在實驗員B的眼里，當?shù)鯚舻墓饩€到達列車的左側(cè)和右側(cè)時，向左的光線實際運動的距離是L-△L，向右的吊燈光線實際移動的距離是L+△L，因此光線向左移動到列車左側(cè)的時間為L-△Lc，光線向右移動到列車右側(cè)的時間為L+△Lc，顯然，L-△Lc

由此可見，在判斷兩個事件是否同時發(fā)生時，需要考慮參考系的選擇.參考系的選擇不同，情況也不同.可以說，兩個事件是否同時發(fā)生，與參考系的選擇有關.

這些你明白了吧？兩個列車員可都是親眼看到同一個吊燈的光線的，可是到達列車兩邊的時間卻各不相同！

二、運動的時鐘會變慢

坐在家里的客廳內(nèi)，看著墻上的掛鐘，秒針走了一圈，你就知道一分鐘過去了；騎著自行車快速向?qū)W校蹬去的過程中，秒針走了一圈，你也毫不懷疑的認為和在你家里的客廳中一樣，也過去了一分鐘.

而相對論卻告訴我們，運動中的時鐘會變慢的！如圖2所示，一輛列車的某節(jié)車廂中，比車廂地板高L的車頂上固定著一個反光鏡，反光鏡的正下方的車廂內(nèi)坐著實驗員甲，假設列車是以速度v向右做勻速直線運動的，而對于甲而言，他是以車廂為參考系的，所以反光鏡相對于甲是靜止的，因此他手中的激光筆發(fā)出的光豎直向上照射到反光鏡，并且又被反光鏡豎直向下反射到甲所在的A點，因此這個過程中甲手中的表記錄下的時間t1=2L/c.

此過程中車外站著一個實驗員乙，他正對著實驗員甲和車廂頂部的反光鏡，他看到的甲手中的激光筆的光線是沿著以L為直角邊的直角三角形的斜邊到達車廂頂部的反光鏡，被反光鏡反射后的光線又沿著以L為直角邊的直角三角形的斜邊到達隨著列車一起移動到B點的原A點，即此過程中乙看到的光線的路徑是兩個斜邊長度，因為直角三角形的斜邊大于直角邊，所以這個過程中乙手中的表記錄下的時間t2=2L′/c.顯然，這里的t1

這時你是不是又有了疑問，那么運動中的那個人的壽命豈不是比站在地面上的那個人要長？但是對于每一個人自己而言，他們并不覺得自己度過的時間有什么異常，他們都覺得自己度過的時間既沒有變長，也沒有變短.

因為宇宙中運動是絕對的，沒有絕對靜止的物體，而正是由于物體運動變化使得我們能感知到時間流逝，由于原子和分子的運動使得世間萬物的形態(tài)會改變，從而使時間得到體現(xiàn)的，沒有運動和變化，時間就得不到體現(xiàn).比如說分子，原子不運動，就不會有新陳代謝，因為就如同化學里的化學反應一樣，分子的位置不發(fā)生變化就不可能發(fā)生結(jié)合，人就不死不滅也可以說就是一個非生物而已，世間的一切都會恒定不變，沒有變化就體現(xiàn)不出時間的存在，因此不論人處于何種運動速度下，壽命都是有限的，人本身是感知不到絕對時間的，絕對時間也不存在.若在另一個星系粒子的運動速度為地球的一億分之一，一個地球人住在上面在地球人看來她可能會活一百億年，幾乎與日月同壽，如果把她的生活錄下來拿到地球上給我們看，他們的動作相當于我們自己的動作慢放一億倍，比如說我們吃飯要一小時，而他們吃飯在我們看用了一億小時，他們并沒有在這一億小時內(nèi)干更多事情.所以，時間的變化與否實際上仍然與參考系有關.

三、超光速運行的奇妙

現(xiàn)在我們一起回到超光速航行這檔子事情上來吧.我們知道，自然界中最快的速度就是真空中的光速.如果我們能以超光速去航行，會出現(xiàn)什么奇妙的現(xiàn)象呢？

愛因斯坦的相對論說，速度越快時間就過的越慢，當速度接近光速時，時間慢的近乎處于靜止狀態(tài)，當速度達到光速之后時間就可以倒流.實際上來說，我們對這個問題的研究還沒有達到能夠論證的地步，那么從理論上來說，時間真的可以倒流嗎？

超光速只是一種假設，舉個簡單例子，星星大家都見過，大家也應該知道星星是幾百億光年以外的恒星.理論上，我們看到的光，都是幾百億年以前傳過來，一直傳到現(xiàn)在才到達地球，進入人的眼睛.也就是說，這些東西已經(jīng)不存在.如果能有一個航天器將恒星拍攝下來以超光速的速度向地球行駛，那么理論上是可以提前看到光所傳送過來的景象.如此推論下去，就是可以看到光所發(fā)生之前的景象，這就是所謂的時光倒流.

當然，這僅僅是一種假說.而目前我們所認識的實際情況是什么呢？簡單的說，根據(jù)相對論，速度越快，時間越慢，但是時間永遠也不會倒流，最多只會變的很慢很慢.還有就是目前兩大不可超越，一是絕對零度無法達到，二是光速無法超過，所以超光速是行不通的.從實際上說，人類的智慧尚不足以阻擋時間的飛進；而根據(jù)愛因斯坦的理論，時間和空間可以在光速中發(fā)生變化，所以從理論上來說，時光倒流，回到從前絕非不可能.

好了，關于超光速航行的假設，就等著讀完這篇文章的你繼續(xù)去探究吧！

參考文獻：

[1]《相對論百問》，趙崢著，北京師范大學出版社，2010年7月.

[2]《相對論通俗演義》，張軒中著，廣西師范大學出版社，2014年6月.

[3]《宇宙密碼：作為自然界語言的量子物理》，[美]海因茨·R·帕格爾斯（Pagels.H.R.）著，郭竹第譯，上海辭書出版社，2011年8月.