一道速度上限,但事出有因
我们常听说没有东西能跑得比光速更快,这听上去像一条武断的规矩,就像马路上的限速。但真正的原因要深刻得多。光速是因能够抵达果的速度——任何影响、信号或推动所能传播的最快速度。倘若有什么能超越它,「这件事发生了,*因此*那件事才发生」这套井然有序的次序就会土崩瓦解。这种受到保护的次序,正是物理学家所说的因果律。
光锥划定了界线
在时空图上——时间向上、空间横向——一束闪光发出的光沿着 45 度的斜线向外扩散。这些斜线构成了光锥。从「此时此地」出发、你所能抵达或影响的一切,都落在上半光锥之内;曾经可能影响过你的一切,则落在下半光锥之内。锥外的任何东西都干脆是禁区:要到那里去,你就得跑得比光还快。
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)为什么超光速会打乱先后次序
关键就在这里。对于彼此落在对方光锥之外的两个事件,不同的观察者会真的对「谁先发生」各执一词——这正是前几课讲过的同时性的相对性。而对于落在光锥*之内*(由某种慢于光的东西相连)的事件,所有人都一致认同先后次序。所以光锥恰恰是那一类「次序安全」的事件对的集合。
- 假设有一把超光速的枪,能把信号送到你光锥之外的某个事件。在你的参考系里,信号在你开枪之后才抵达——因在果前,没问题。
- 可正因为那个目标在你的锥外,某位从旁掠过的观察者会看到信号在你开枪之前就抵达了——在他同样合法的参考系里,果竟然跑到了因的前面。
- 如今再用同样的把戏把一条超光速的回复弹回来,你就能在还没提出问题之前收到答案。整个故事变得自相矛盾——一台天生的信息时光机。
「可是……」——诚实的回答
人们常会有理有据地举出一些*看似*能跑赢光的例子。它们其实没有一个真的把「因」以快于 c 的速度从一处带到另一处,所以没有一个能破坏因果律。下面是诚实的逐条交代:
- 扫过月面的激光光点,或合拢的剪刀刃口,其交点速度可以超过 c。但那个光点并不是一个实体,也不携带从一处传往另一处的信息——没有光子跑赢了光,所以没有任何「因」快于 c。
- 量子纠缠会让相隔遥远的两端给出彼此关联的结果,但这些结果是随机的,你无法用它们发送一条你想发的消息。没有可用的信号传播,因果律便安然无恙。
- 膨胀的宇宙会把遥远的星系以快于 c 的速度带走,但那是空间本身在拉伸,并非有什么东西在空间*之中*移动——同样,并没有任何信号跨越那段间隔被发送出去。