光速极限

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关于超光速的话题还没完,还要解决一些你心中的疑惑。爱因斯坦说的没有物体的运动速度能够超过光速,准确地说,是没有能量和信息的传递速度能超过光速;如果失去了这个前提,那么超光速的“东西”可就多了。比方说,你在地面上插一根棍子,用一支手电筒去照这根棍子,在棍子后面很远很远的地方(比如说在阿凡达居住的潘多拉星球上)放一个白板,理论上这根棍子的影子就会出现在这个白板上。这时候,你把手电筒轻轻转一个角度,那么远在潘多拉星球的影子就会迅速移动,可以想象只要距离足够长,这个移动速度绝对会超过光速。

这个想法有一个很酷的名字,叫作“暗影之疾”,它并不违反相对论。因为首先影子并不能储存能量,所以这里并没有能量的传递。我们再来看看通过这个暗影之疾能不能传递信息呢?你可能想,如果我在棍子上用刻刀小心地刻一个空心字“喂”,由影子组成的这个“喂”,在潘多拉星球上不就能以超光速传递了吗?我非常佩服你能想到这个点子,但是这个方法真的能让潘多拉星球上的人超光速传递信息吗?

【图4-9】移动速度可以超过光速的影子

好,那么就让我们来设想在潘多拉星球上,男主角杰克站在白板的这头,女主角奈特莉站在白板的那头。现在杰克跟奈特莉在分手的时候约好,如果看到一个“3”的影子,表示我们3点开始进攻人类的基地;如果看到一个“4”的影子,就表示4点开始进攻。杰克在前方侦察完敌情,决定4点开始进攻,现在他要把这个信息传递给奈特莉,可麻烦的是,杰克必须先告诉远在地球的我,赶紧把“4”的影子扫过去,杰克跟我之间的信息传递马上碰到了光速极限问题,因此4点进攻的消息依然无法突破光速极限。

若取消能量和信息传递这个前提,要得到超光速还有更简单的方法。比方说,你找一个晴朗的夏夜,站在满天繁星下面,脚尖点地,来个轻巧的360度大旋转。乖乖不得了,整个宇宙都在你的眼中转了一圈,这宇宙的转动速度何止光速,简直神速!对不起,你可以认为这种神速是超光速运动,但这并未违反相对论,因为没有实际的信息和能量在这个运动中传递。

总之,自从爱因斯坦得出了能量和信息的传递无法超过光速之后,有无数聪明人设计了各种各样的思维实验,经常有人宣称自己成功地设计出了超光速信息传递的方案,可惜除了那种死不认账的自恋狂外,所有的方案都经不起推敲。直到1982年,法国人阿斯派克特(Aspect)领导了一个实验小组,成功地做了一个可能会在历史上成为第二个MM实验的特殊实验,这个实验的名称叫作EPR实验,实验结果把相对论关于光速极限的推论逼到了墙角(注意我的用词,我可没有说证伪或者推翻)。特别有趣的是,这个实验正是以爱因斯坦为首的三个科学家——E代表爱因斯坦、P代表波多尔斯基(Podolsky)、R代表罗森(Rosen)——提出的。最初只是一个思维实验,爱因斯坦他们的目的,是为了嘲笑当时出生没多久的量子理论有多荒谬。因为在这个思维实验中,按照量子理论的说法,两个基本粒子居然可以在相隔很远的距离时,在光速都来不及跑完的时间内,互相知道对方的旋转状态(基本粒子就是一种比原子还要小千万倍的某种粒子)。爱因斯坦和另外两个科学家嘲笑道:“哈哈,看看,这有多荒谬,量子理论居然发明了超光速的信息传递。”这个思维实验是1935年提出来的,当时的爱因斯坦早已经是物理学界的权威,但是当时的技术条件还无法实现这个EPR实验。

时光飞转,时隔47年之后,爱因斯坦都过世27年之后的1982年,科学家们的实验条件终于具备,而实验结果震惊了全世界!被爱因斯坦称为荒谬的结论居然是事实,量子理论和相对论的矛盾彻底激化。EPR实验到底有没有违反相对论,这个话题引发了从物理学界到民间科学家旷日持久的热烈讨论,关于这个话题我们还将在第九章中详细说到。但直到今天(2016年9月15日)为止,人类并没有发现任何超光速运动,所有关于超光速的报告都被证实是错误的。因此,光速极限仍然是相对论的坚实基础。