为什么物理定律要禁止超光速?“光锥之内皆命运”是什么意思?

在以往的文章中,我们提到了一个和因果关系有着紧密联系的概念光锥。

 

 

将一块石头扔进水塘,水表面的涟漪向四周散开,并且涟漪以圆周的形式,越变越大,这个二维的池塘水面加上一维的时间,扩大的水圈与时间就能画出一个圆锥,顶点是石头击中到水面的地方和时间。

 

 

类似地,从一个事件发出的光在四维的空间-时间里形成了一个三维的圆锥,这个圆锥称为事件的过去光锥

 

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它的宇宙学意义就是当我们遥望夜空的时候,我们看到的宇宙,天空的状态,不同于一幅瞬时拍摄的快照所显示的图像,因为光从遥远的地方到达我们这里要花一定的时间,我们在天空中所见到的任何一个天体都是它在发光瞬间的像。

 

 

望远镜好比是”望时镜”。光锥之所以能够描述因果关系是因为任何信息的传递速度不能超过光速,本期视频将带你了解狭义相对论中,为什么超光速会违反因果律

 

 

狭义相对论是由爱因斯坦,洛仑兹和庞加莱,闵可夫斯基等人创立的,应用在惯性参考系下的时空理论。也是对牛顿时空观的拓展和修正。

 

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按照狭义相对论而言,物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加,同时,空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化,即会发生尺缩效应和钟慢效应。

 

 

要理解狭义相对论就必须理解四维时空,即时间也作为一维空间与长、宽、高三维空间共同存在。所有相对论效应是由四维时空的本性引起的。

 

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为了能够更好地理解狭义相对论,我们需要了解时空图的概念,在图片底部画一条直线代表一维空间,画一条与其垂直相交的线来表示时间轴这个图就是将三维空间简化为一维空间的时空图。

 

 

我们用蓝色的点代表地球在某一时刻所处的位置,由于地球相对我们静止那么随着时间的流逝地球会沿着这条线穿越时间,我们将这条线称为地球的世界线同理,我们可以画出距离地球4.22光年外的比邻星的世界线(假设比邻星相对地球静止)。综上所诉,我们可以发现相对我们静止的物体的世界线平行于时间轴。

 

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现在我们来考虑运动物体在时空图中的情况。首先光子的世界线是一条沿着45度角上升的斜线,我们将光子的世界线称为类光线。由于光可以向任何方向传播,因此它的世界线正好形成了一个光锥。

 

 

相比之下,低于光速运动的物体的世界线在类光线的上方(类时线),超光速运动的物体的世界线位于类光线的下方(类空线)。由于任何信息的传递速度不能超过光速,因此我们只能访问处于光锥之类的时空点,对于光锥之外的时空点我们无能为力,这也是科幻小说《三体》中“光锥之内便命运”的来源。

 

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在时空图中有一点我们需要特别注意,时间轴和空间轴未必是垂直的关系。在我们常见的坐标系中,X和Y轴一定是垂直关系。

 

 

但由于时空图是在欧式几何空间中绘制了闵氏几何坐标系。我们将时间轴沿着类光线翻转即可得到空间轴,比如我们将这艘低光速飞船的世界线沿着类光线翻转即可得到他感知的空间轴。

 

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现在我们来推导超光速为什么会违反因果律,我们设想宇宙某一区域发生了一次超新星爆炸,它的辐射以光速传播,因此它的世界线是一条平行于类光线的直线。地球和比邻星会先后看到这次超新星爆炸。

 

 

现在我们假设地球有一套超光速通信系统,在地球看到爆炸事件后,立即通过超光速系统告知比邻星,比邻星会在看到超新星爆炸之前收到地球发送的警告信息。

 

 

现在我们回溯一下整个事件发生的序列,我们将时间切片从图片底部向上滑动。首先是发生了超新星爆炸,接下来是地球看到该事件并向比邻星发送警告信息,然后是比邻星收到地球的警告信息,最后比邻星看到了超新星爆炸。

 

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从这个事件发生的顺序来看,它并没有违反因果关系,但当我们在系统中添加一艘低于光速飞行的飞船时,将会发生不同的

 

 

根据前面我们提到的规则,飞船的世界线沿着类光线对称翻转即可得到他们感知的空间轴,因此飞船上的人感知的时间轴和空间轴与我们是不同的,这是因为相对论指出,在任何参考系中光速是恒定的,而要保持光速的恒定就需要弯曲时间和空间。

 

 

现在我们使用时间切片来跟踪飞船上的人感知的“事件序列”,首先是比邻星收到了地球发出的警告信息,然后是超新星爆炸,接下来是地球看到超新星爆炸并向比邻星发出警告,最后是比邻星看到超新星爆炸,而这一过程显然违反了因果关系。

 

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地球还未发出警告信息,但比邻星就已经提前收到了地球发送的信息,也许你会认为问题的根源在于相对论而非超光速

 

 

但当我们将超光速系统从时空中移除后通过时间切片我们可以看到飞船感知的事件序列是超新星爆炸地球观察到该事件比邻星观察到该事件。这一过程并没有违反因果关系,因此在相对论信息传递速度不能超过光速的本质原因是因果关系

 

 

如果我们坚信因果律在任何情况下都成立那么超光速现象必须禁止

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