超光速存在的可能性

涉及相對(duì)論的眾多問題中，歷時(shí)最長(zhǎng)和被最多人誤解的或許是超光速的問題了。那么有可能存在超光速嗎?超光速與相對(duì)論有什么關(guān)系，如果超光速可能存在的話將發(fā)生什么情況呢?當(dāng)然，它們是純粹的物理學(xué)問題。

眾所周知，如果超光速可能的話，按相對(duì)論可能出現(xiàn)因果律的破壞以及“到過去的通信”，其結(jié)果引起了專業(yè)外的科學(xué)家對(duì)超光速問題的關(guān)心。

需要指出，追求超光速的可能性本身并沒有錯(cuò)，問題是按相對(duì)論的說法超光速將引起因果律的破壞和“到過去的通信”的主張是錯(cuò)誤的。的確相對(duì)論與超光速不相容，但是這個(gè)事實(shí)并不是絕對(duì)否定超光速存在的可能性。事實(shí)上，相對(duì)論不過是20世紀(jì)人類偶然獲得的一個(gè)物理學(xué)理論而已。愛因斯坦相對(duì)論即使成功地說明若干經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，但是僅僅那個(gè)理由并不能一躍成為宇宙的一切現(xiàn)象必須絕對(duì)地服從相對(duì)論的主張。在這個(gè)廣闊的宇宙，大有可能不服從現(xiàn)代人已掌握的科學(xué)理論的現(xiàn)象。與將牛頓物理學(xué)絕對(duì)化不過是人類的驕傲自大一樣，將愛因斯坦相對(duì)論絕對(duì)化也不過是人類的驕傲自大而已。

因此，不能因超光速與相對(duì)論的不相容麗絕對(duì)否定超光速存在的可能性，與相對(duì)論的正確與否無關(guān)，應(yīng)該允許超光速是可能存在的。

超光速與洛倫茲變換

所以對(duì)所謂因果律的破壞，我們根本上要問的不是超光速存在的可能性，而是“超光速與相對(duì)論到底是什么關(guān)系”。這是因?yàn)橹鲝埑馑僖鸬囊蚬茐氖腔谟锰厥庀鄬?duì)論的洛倫茲變換的計(jì)算。

的確，這個(gè)計(jì)算表面上看好像是正確的。而且?guī)缀跛械目茖W(xué)家認(rèn)為“實(shí)際上”因果律的破壞是否產(chǎn)生另當(dāng)別論，而這樣的計(jì)算“在理論上成立”。

但是經(jīng)過嚴(yán)密的檢查，進(jìn)一步查明實(shí)行這樣的計(jì)算本身是錯(cuò)誤的(最終如預(yù)言所說，實(shí)際進(jìn)行的計(jì)算內(nèi)容也是支離破碎)。令人吃驚的是，一點(diǎn)沒考慮“相對(duì)論是什么”這樣最根本的問題，而是簡(jiǎn)單地考慮用相對(duì)論來計(jì)算。

相對(duì)論最根本的基礎(chǔ)是什么呢?物理學(xué)家在研究物體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，有關(guān)時(shí)間與空間的描述是不可缺少的。所以想對(duì)物體運(yùn)動(dòng)形成新的理論的物理學(xué)家，歸根結(jié)底必須明確對(duì)空間與時(shí)間的量在物理上如何定義、如何觀測(cè)。

牛頓以絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間為前提，相比之下，愛因斯坦在相對(duì)論中利用光的往返定義時(shí)間，從通過光的觀測(cè)想法來構(gòu)造理論。所以“利用光的往返定義時(shí)間”正是相對(duì)論最根本的基礎(chǔ)。

那么，如果以超光速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系存在將變成怎樣呢?顯然超光速比光還快，光在超光速運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中攆不上。所以以光的往返定義時(shí)間不可能。即對(duì)于超光速，相對(duì)論的基礎(chǔ)被否定。相對(duì)論本身不成立。這個(gè)事實(shí)如果考慮在特殊相對(duì)論中洛倫茲變換就一目了然。如果坐標(biāo)系以超光速運(yùn)動(dòng)，則在洛倫茲變換中時(shí)間與空問的坐標(biāo)變?yōu)樘摂?shù)。我們決不能觀測(cè)虛數(shù)的時(shí)間與虛數(shù)的空間。說起來我們連用什么樣的鐘或尺度觀測(cè)為好都不知道。

原理上觀測(cè)不可能的東西在物理學(xué)上是毫無意義的。正因如此，對(duì)于相對(duì)論不成立那樣的物理現(xiàn)象，如果勉強(qiáng)用相對(duì)論計(jì)算，則獲得令人難以置信的結(jié)論是當(dāng)然的。我們?cè)摮泽@的不是荒誕無稽的結(jié)論，而是天真、淺溥的想法。

更有甚者，我們退百步講，既然承認(rèn)用相對(duì)論的計(jì)算，也不可能有到過去通信那么回事。那么利用超光速信號(hào)到過去通信的說法，不過是若干錯(cuò)誤與支離破碎的計(jì)算捏造出的典型的空話而已。

超光速與因果律的破壞

對(duì)到過去通信的分析前，先就其前提的因果律破壞加以考察。假設(shè)從地球向以速度u運(yùn)動(dòng)的火箭發(fā)射速度V的超光速粒子，光速為c。對(duì)地球觀察者來說，超光速粒子攆上從地球發(fā)射的火箭。但是對(duì)火箭觀察者來說，如果滿足一定的條件，即UV>c：則通過洛倫茲變換計(jì)算，顯示超光速粒子的“發(fā)射時(shí)刻”與“到達(dá)時(shí)刻”的兩個(gè)時(shí)間順序倒過來。即對(duì)火箭觀察者來說，超光速粒子在從地球發(fā)射之前就已經(jīng)攆上火箭了。這就是所謂的因果律破壞(按因果律破壞的條件是超光速粒子的速度u與火箭的速度v的乘積大于光速c的平方。如果超光速粒子存在，則滿足這個(gè)條件是可能的)。

乍一看這結(jié)果確實(shí)駭人聽聞，如果利用超光速信號(hào)果真能自由地與過去的自己通信，則甚至有可能按自己想法改變現(xiàn)實(shí)世界。例如升學(xué)考試失敗的人通過到過去的通信在考試之前就知道考題的正確答案，結(jié)果以滿分進(jìn)入自己理想的大學(xué)。再如將有關(guān)價(jià)格上漲的股票信息送達(dá)過去的自己，則輕易地變成了富翁。由此世界豈不陷入大亂!

難怪渴望實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行的人齊聲高呼“突破光障了”!但是，可悲的是在導(dǎo)出驚人結(jié)果前用洛倫茲變換計(jì)算本身已經(jīng)錯(cuò)了，而且從承認(rèn)時(shí)間順序倒轉(zhuǎn)，實(shí)際并未發(fā)生什么奇怪的事件。

現(xiàn)在我們冷靜地分析在時(shí)間順序倒轉(zhuǎn)上觀察到了什么，因?yàn)槌馑倭Ｗ拥摹鞍l(fā)射時(shí)刻”與“到達(dá)時(shí)刻”的倒轉(zhuǎn)，對(duì)火箭觀察者來說，“先是”超光速粒子到達(dá)火箭，“其后”是火箭被發(fā)射。即超光速粒子“先是”在火箭的身邊。其后逐漸遠(yuǎn)離火箭，“最后”到達(dá)地球。這對(duì)火箭觀察者來說，觀察到超光速粒子宛如從火箭朝地球方向運(yùn)動(dòng)似的，這是因?yàn)槌馑倭Ｗ与S著時(shí)間的流逝變?yōu)閺幕鸺虻厍蜻\(yùn)動(dòng)。

但是這個(gè)逆行不用說并非是向過去的運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)槌馑倭Ｗ雍孟竦竭_(dá)地球的時(shí)刻是在離開火箭時(shí)刻之“后”，即未來的時(shí)刻。所以超光速粒子不過是做“空間上”的逆向運(yùn)動(dòng)，而非做“時(shí)間上”的逆向運(yùn)動(dòng)，人類是不可能觀測(cè)到時(shí)間倒流的運(yùn)動(dòng)。

在此需要注意的是超光速粒子是在地球上控制火箭的人發(fā)射的，不是坐在火箭上的宇航員按自己意志發(fā)射。對(duì)宇航員來說，盡管自己什么也沒干，超光速粒子依然從火箭鉆出來向地球飛去，而且是向著地球的未來運(yùn)動(dòng)。隨意地將這樣的現(xiàn)象解釋成“宇航員能夠傳遞向過去的信號(hào)”，說實(shí)在的宇航員是任何信息操作都不可能干的。

假設(shè)有兩名互相靜止的觀察者A和B。假定從A—B駛過超音速飛機(jī)。這個(gè)情形如果用聲音觀察，則B先聽到超音速飛機(jī)到達(dá)B時(shí)的聲音，其后才聽到超音速飛機(jī)從A出發(fā)時(shí)的聲音。B觀察者將從A—B運(yùn)動(dòng)的超音速飛機(jī)發(fā)出的聲音聽作宛如B—A進(jìn)行的方向。

超音速飛機(jī)是現(xiàn)代極普通的交通工具。我們沒有因?yàn)槌羲亠w機(jī)的聲音逆向而大聲嚷嚷：“不得了了，因果律破壞了!”也沒有認(rèn)為超音速飛機(jī)的聲音傳到了過去。

看來因果律的破壞不外乎是信賴于“觀測(cè)手段的選擇方法”的表面現(xiàn)象。比光快的超光速粒子存在時(shí)用光觀測(cè)，比聲音快的超音速飛機(jī)存在時(shí)用聲音觀測(cè)，則產(chǎn)生因果律的破壞是理所當(dāng)然的，完全沒有必要合乎洛倫茲變換。

如上所述，愛因斯坦相對(duì)論用光定義時(shí)間，以光為基礎(chǔ)的觀測(cè)理論，而且一旦假定相對(duì)論不容的超光速存在，得出奇怪的結(jié)論也是理所當(dāng)然的。

作為觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)越快越好，這就是為什么假定超光速的存在，最好能建立不是以光而是以超光速為標(biāo)準(zhǔn)的理論。

通過以上分析，查明了即使超光速粒子存在也并不是簡(jiǎn)單地說到過去的通信成為可能。但是在此不要急于下結(jié)論，這是因?yàn)槟芎芎玫乩贸馑倭Ｗ拥钠渌碚?，一般認(rèn)為根據(jù)那個(gè)理論確有到過去通信的可能。下面我們繼續(xù)進(jìn)一步分析，明確解決超光速的問題。

果真到過去通信嗎?

首先從地球向火箭發(fā)射超光速粒子，但是這次超光速粒子從火箭馬上返回地球。如果那樣的話，超光速粒子在從地球發(fā)射時(shí)刻前返回地球。

這種情形，返回地球的超光速粒子是原來在地球上控制火箭的人發(fā)射的。所以如果這個(gè)理論正確的話，則在地球上的人能按自己的意愿向“自己的過去”發(fā)送信號(hào)。

具體說明如下：

(1)首先，從地球向火箭發(fā)射超光速粒子的情形，通過用洛倫茲變換計(jì)算，顯示超光速粒子比發(fā)射時(shí)刻早攆上火箭。

(2)其實(shí)，從火箭向地球送回超光速粒子的情形，用上述完全同樣的計(jì)算，結(jié)果顯示超光速粒子比火箭送回時(shí)刻早返回地球。

(3)由此由這兩個(gè)過程得出如下結(jié)果：超光速粒子在從地球發(fā)射之前攆上火箭，而且進(jìn)一步在那之前返回地球。這個(gè)正是到自己過去的通信。

這個(gè)理論看起來好像是出色地使用洛倫茲變換完整的計(jì)算，因此包括許多物理學(xué)家在內(nèi)相信，如果超光速信號(hào)可能，則確實(shí)能實(shí)現(xiàn)到過去的通信。

令人可悲的是，這個(gè)計(jì)算雖然做得完美無缺，確是胡說八道。人們被3層錯(cuò)誤捏造的空話所欺騙。我們分析這樣計(jì)算之際應(yīng)注意的重點(diǎn)是，計(jì)算是以任意的立場(chǎng)(坐標(biāo)系)為標(biāo)準(zhǔn)做的。特別是在相對(duì)論，根據(jù)什么樣的立場(chǎng)計(jì)算，結(jié)論是完全不一樣的。

回顧上述(1)、(2)不難發(fā)現(xiàn)：

①?gòu)牡厍虬l(fā)射超光速粒子的情形，以“地球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)”計(jì)算的。即以地球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)用洛倫茲變換計(jì)算，則火箭觀察者說觀察到超光速粒子在發(fā)射時(shí)刻之前攆上火箭。

②從火箭送回超光速粒子的情形，是“以火箭為標(biāo)準(zhǔn)”計(jì)算的。即以火箭為標(biāo)準(zhǔn)用洛倫茲變換計(jì)算，則地球觀察者說觀察到超光速粒子在發(fā)射火箭時(shí)刻之前返回地球。

顯然，將兩個(gè)以不同立場(chǎng)為標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果隨意地聯(lián)系在一起。我們感到吃驚的不是到過去通信成為可能的奇怪結(jié)論，而是勉強(qiáng)做出這個(gè)奇怪結(jié)論的支離破碎的計(jì)算本身。

這樣支離破碎的計(jì)算能被允許嗎?回答當(dāng)然是否定的。如果始終如一地從同一立場(chǎng)計(jì)算，結(jié)果，就是另一回事，不會(huì)出現(xiàn)因果律的破壞。例如從火箭送回超光速粒子時(shí)也從“地球的立場(chǎng)”觀察，盡管火箭與超光速粒子正在做反方向運(yùn)動(dòng)。這個(gè)事實(shí)意味著超光速粒子的速度u與火箭的速度V是不同的，兩者的積為負(fù)值。按照因果破壞的條件uv>c，uv的積負(fù)值沒有大于正值的c。雖然，這個(gè)情形沒產(chǎn)生所謂因果律的破壞。

正確的回答是不管超光速粒子速度多快，往返地球與火箭之間是需要時(shí)間的，所以超光速粒子當(dāng)然向未來運(yùn)動(dòng)。再如，即使假定超光速粒子是無限速度，至多不過與發(fā)射時(shí)刻同一時(shí)刻返回，即至多僅向現(xiàn)在的自己發(fā)信號(hào)。

這樣所謂利用超光速到過去通信的幻想的真相也就一清二楚了。再說在量子力學(xué)上超光速被認(rèn)可存在，但實(shí)際上不可能用來作為傳遞某些信息的信號(hào)，所以不必?fù)?dān)心從這個(gè)超光速到過去的通信或現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生因果律的破壞。