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.他創立了代表現代科學的相對論，并為核能開發奠定了理論基礎，它的深刻影響及廣泛應用方面開創了現代科學新紀元，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站著實驗員A；該節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，并垂直于車廂兩側平面，平行于車廂其余四面）照射到車廂左右兩側的時間，那么兩個實驗員測得的結果會不同：

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的時間是相等的.若設車廂長為2L，光線到達車廂左右兩側的時間分別為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，其運動狀態與列車車廂相同，則此時光線照到車廂左右兩側的時間是不等的.因為向左的光線由于與車廂左側反向運動，向右的光線與車廂右側同向運動.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的時間要比向右的光線到達車廂右側所花的時間短.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時，實際上左側已經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時，右側已經向右移動了一段距離，也等于△L，所以在實驗員B的眼里，當吊燈的光線到達列車的左側和右側時，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的時間為L-△Lc，光線向右移動到列車右側的時間為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，看著墻上的掛鐘，秒針走了一圈，你就知道一分鐘過去了；騎著自行車快速向學校蹬去的過程中，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會改變，從而使時間得到體現的，沒有運動和變化，時間就得不到體現.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，分子的位置不發生變化就不可能發生結合，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，會出現什么奇妙的現象呢？

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，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，一直傳到現在才到達地球，進入人的眼睛.也就是說，這些東西已經不存在.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；而根據愛因斯坦的理論，時間和空間可以在光速中發生變化，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.