超光速就能回到过去?

路昭观看科技 2025-03-09 05:21:48

爱因斯坦的相对论,无疑是现代物理学中最为重要的基石之一,其声名远扬,几乎家喻户晓。

相对论能享有如此崇高的声誉,一方面得益于它作为科学理论本身所具备的卓越优越性,从根本上革新了我们对时空和物质运动的理解;另一方面,媒体的广泛宣传也起到了推波助澜的关键作用,让这一高深的理论逐渐走入大众的视野。

然而,想要真正深入理解相对论,绝非通过媒体宣传上的只言片语就能实现。事实上,正是由于大众对相对论的了解往往停留在表面,导致出现了许多关于它的谣言和不正确的认知。其中,最为著名且广泛传播的一条谣言便是:“相对论承认穿越时空的可能性,但只有超越光速才能回到过去”。

对于这条谣言,我本人就曾有过深切的体会。

记得上初中的时候,我对这句话深信不疑,一直坚定地认为只要超越光速,就能够回到过去。至于最初是从什么渠道听到这个说法的,如今已记不太清楚了。但那时,我对爱因斯坦充满了深深的崇拜之情,这很大程度上得益于当时阅读的一些相关书籍以及观看的电视节目,它们让我对这位伟大的科学家和他的理论产生了浓厚的兴趣。

追根溯源,这条谣言确实与爱因斯坦的相对论存在一定的关联。

在相对论诞生之前,牛顿的绝对时空观是当时人们对世界最为科学的认知。牛顿的理论告诉我们,时间是独立存在的,不受物体在空间中运动变化的影响,它以恒定的速率流逝,对于每个人而言都是完全相同的。这种观点与我们的日常生活经验高度契合,因此很容易被大众接受。在这样的认知背景下,人们很难将光速与时间联系在一起。

然而,随着爱因斯坦狭义相对论的问世,一切都发生了改变。

狭义相对论打破了时间和空间相互隔绝的传统观念,将它们统一为一个整体,并且将光速作为一个至关重要的因素融入其中。实际上,即便狭义相对论不是由爱因斯坦提出,在当时的科学发展形势下,也极有可能很快被其他科学家发现,因为当时的物理学界已经处于重大突破的前夜,众多相关研究和理论铺垫都预示着一场科学革命的到来。

狭义相对论有几个广为人知的推论,其中 “钟慢尺缩” 效应尤为著名。根据这一效应,在静止参考系中,运动的物体长度会缩短,时间会变慢。而关于时间变慢的这一推论,更是成为了人们茶余饭后的热门话题。除了我们正在讨论的这条谣言之外,还有一个被称为 “双生子佯谬” 的长期争论,也与时间变慢的概念密切相关。

很多人对 “物体速度越快,时间就会变得越慢” 这一结论的理解仅仅停留在表面,甚至有些人还试图进一步拓展思维,参考相关公式进行推导。于是,他们得出了这样的结论:既然速度越快时间越慢,那么当速度达到光速时,时间就会停止;要是速度能够超越光速,时间就会倒流,我们也就能够回到过去了。

乍一听,这样的结论似乎有一定的道理,尤其是对于那些对相对论缺乏深入了解的人来说,很容易被其迷惑。但实际上,这种结论从根本上就是错误的。因为根据狭义相对论,物体的速度是不可能超越光速的,甚至连达到光速都是不被允许的(这里需要特别注意,所讨论的物体是指具有静止质量的物体,光子由于其特殊性质,不适用这一限制)。

那么,为什么物体不能超越光速呢?这是因为狭义相对论的另一个重要推论 —— 质增效应在起作用。当物体的速度变快时,除了时间会减慢之外,其质量也会逐步增加。当速度趋向于光速时,物体的质量会趋向于无穷大。显然,在宇宙中,不存在足够的能源来支持一个质量无穷大的物体继续加速,使其达到或超越光速。

虽然我们无法通过超越光速回到过去,但穿越到未来却是有可能实现的。这是因为当物体的自身时间变慢时,相对而言,外界时间就会加速流逝。例如,当一个人乘坐亚光速飞船前往宇宙的其他地方旅行一圈,在这趟旅程中,他自己可能觉得仅仅过去了五年时间,但当他回到地球时,却会惊讶地发现地球上已经过去了千年之久。这不就是一种穿越到未来的方式吗?

然而,又有朋友会提出疑问:狭义相对论是基于惯性系得出的时空理论,而惯性系在现实宇宙中只是一种理想状态,并不存在绝对的惯性系。那么,既然物体在狭义相对论中不能超越光速,在广义相对论中是否有可能超越呢?

答案依然是否定的。狭义相对论实际上是广义相对论的一种特殊形式,就好比平直时空是弯曲时空的特殊情况,两者在本质上是相通的。用更精确的语言来描述,物质在时空中的运动轨迹都是类时曲线(光子的运动轨迹是类光曲线),至于所处的时空是平直还是弯曲,并不是关键所在,这一规律在两种情况下都成立。

这里所说的曲线,就是物体运动的世界线,它描述了物体在时空中的运动路线。由于物体在时空中的每一个点都对应着特定的时刻和空间位置,将这些点连贯起来就形成了世界线。实际上,世界线有三种类型,除了类光和类时曲线之外,还有类空曲线。在平直时空的背景下,类空曲线意味着物体在进行超光速运动,而这是相对论所严格禁止的。因此,我们可以简单地理解为,在相对论的世界中,不允许类空曲线的存在。

如果不采用上述这种几何语言,而是使用诸如相对于某个参考系的速度等语言来描述,就很难简洁明了地说明问题。因为在非惯性系中,通过坐标计算得出的光速值可能就不再是我们所熟悉的约每秒三十万公里了。

尽管如此,科学家在广义相对论中发现了一些闭合类时曲线的存在。

这种曲线的特殊之处在于,它意味着在不违背相对论的前提下,理论上存在回到过去的可能性。简单来说,就好比在三维空间中,我们可以通过圆周运动轻松地回到原点;如果在时间维度上也能实现类似的 “圆周运动”,即在四维时空上形成一条闭合的类时世界线,那么就相当于回到了过去。但需要明确的是,这仅仅是理论上的可能性,从目前的科学技术水平来看,要实际制造出这样的闭合类时曲线几乎是不可能的。

同样,虽然广义相对论也不允许类空曲线的出现,但穿越到未来仍然是可行的,这可以利用引力时间膨胀效应来实现。在电影《星际穿越》中,就对这一效应进行了生动而形象的展现。在强引力场附近,时间流逝的速度会明显变慢。因此,我们可以设想在一些黑洞附近 “转悠几圈”,在这个过程中,自身的时间流逝速率会减缓(当然,处于其中的人自己是感觉不到这种变化的)。当回到地球时,就会发现地球上已经过去了相当长的时间,这也是一种穿越到未来的方式。

综上所述,“速度达到光速,时间静止;速度超越光速,时间就会倒流” 这种说法,仅仅是一种错误的认知。因此,“超越光速就能回到过去” 的观点,无疑是一条谣言,我们应该以科学的态度和准确的理论知识来正确认识相对论,避免被这类错误观点误导。

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