一道速度上限,但事出有因
我們常聽說沒有東西能跑得比光速更快,這聽上去像一條武斷的規矩,就像馬路上的限速。但真正的原因要深刻得多。光速是因能夠抵達果的速度——任何影響、訊號或推動所能傳播的最快速度。倘若有什麼能超越它,「這件事發生了,*因此*那件事才發生」這套井然有序的次序就會土崩瓦解。這種受到保護的次序,正是物理學家所說的因果律。
光錐劃定了界線
在時空圖上——時間向上、空間橫向——一束閃光發出的光沿著 45 度的斜線向外擴散。這些斜線構成了光錐。從「此時此地」出發、你所能抵達或影響的一切,都落在上半光錐之內;曾經可能影響過你的一切,則落在下半光錐之內。錐外的任何東西都乾脆是禁區:要到那裡去,你就得跑得比光還快。
time
^ FUTURE
| (you can
\ | / reach &
\|/ affect)
light X light <- 45-deg lines = speed of light
/|\
/ | \ PAST
| (could have
| reached you)
+-----------------> space
ELSEWHERE = outside the cone = unreachable
(left & right of the X, off the 45-deg lines)為什麼超光速會打亂先後次序
關鍵就在這裡。對於彼此落在對方光錐之外的兩個事件,不同的觀察者會真的對「誰先發生」各執一詞——這正是前幾課講過的同時性的相對性。而對於落在光錐*之內*(由某種慢於光的東西相連)的事件,所有人都一致認同先後次序。所以光錐恰恰是那一類「次序安全」的事件對的集合。
- 假設有一把超光速的槍,能把訊號送到你光錐之外的某個事件。在你的參考系裡,訊號在你開槍之後才抵達——因在果前,沒問題。
- 可正因為那個目標在你的錐外,某位從旁掠過的觀察者會看到訊號在你開槍之前就抵達了——在他同樣合法的參考系裡,果竟然跑到了因的前面。
- 如今再用同樣的把戲把一條超光速的回覆彈回來,你就能在還沒提出問題之前收到答案。整個故事變得自相矛盾——一台天生的資訊時光機。
「可是……」——誠實的回答
人們常會有理有據地舉出一些*看似*能跑贏光的例子。它們其實沒有一個真的把「因」以快於 c 的速度從一處帶到另一處,所以沒有一個能破壞因果律。下面是誠實的逐條交代:
- 掃過月面的雷射光點,或合攏的剪刀刃口,其交點速度可以超過 c。但那個光點並不是一個實體,也不攜帶從一處傳往另一處的資訊——沒有光子跑贏了光,所以沒有任何「因」快於 c。
- 量子糾纏會讓相隔遙遠的兩端給出彼此關聯的結果,但這些結果是隨機的,你無法用它們發送一條你想發的訊息。沒有可用的訊號傳播,因果律便安然無恙。
- 膨脹的宇宙會把遙遠的星系以快於 c 的速度帶走,但那是空間本身在拉伸,並非有什麼東西在空間*之中*移動——同樣,並沒有任何訊號跨越那段間隔被發送出去。