1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,成为奠基现代物理学的重要基石。在狭义相对论中,有两个重要的前提假设,一个是有质量的物体运动速度不会超过光速,即光速不变原理。另一个是物理定律在所有非惯性参考系中保持不变。狭义相对论提出以后,将物质所在的空间和时间统一为一个实体,即时空,在时空中运动的物质,包括各种微观粒子的运动速度,都会与时间以及光速有关。

打开网易新闻 查看更多图片

关于“快子”的猜想

通过爱因斯坦的狭义相对论,科学界普遍得到一个“既定”的事实,那就是光速代表着现代宇宙中的速度极限,没有任何物质可以超越光速。不过,关于速度极限问题,科学家们也一直在做着相关的实验和观测,试图寻找超越光速的现象以及物质的存在。

比如,欧洲核子研究中心于2012年9月宣布,他们发现了一些粒子比如中微子等,在一定条件下可能以高于光速的速度行进。这对于现代物理学来说,绝对是一个“重磅炸弹”,由于这一观测结果事关影响非常重大,需要持续进行高精度的重复实验以及其他实验来加以验证。

其实,早在上世纪60年代,美国哥伦比亚大学范伯格教授就提出了一种猜想,认为在宇宙空间中存在着另外一种截然不同的粒子,即超光速粒子,也被称为“快子”,这些“快子”组成了另外一个宇宙空间。在这个“全新”的宇宙空间中,一个能量为零的粒子是以无穷大的速度(肯定超越光速)运动的,如果在行进过程中这个粒子吸取了能量,那么它的运动速度就会变慢,直至获得无穷大的能量,速度才降到光速。这种粒子以及它的运动状态,正好与我们所处宇宙的情况相反。

打开网易新闻 查看更多图片

也就是说,在假想的“快子宇宙”中,任何情况下,快子的运动速度都比光速快,而按照狭义相对论,在我们所在的“慢宇宙”中,在任何情况下,一个物体的运动速度不可能比光速运动的快,所以,光速则成为两种宇宙的“分界线”。根据范伯格的假设,“快子”这种粒子是从具有“虚质量”的量子场中产生,这解释了为什么狭义相对论的光速不变原理为何没有限制“快子”的速度。

“快子”违反狭义相对论吗?

如果我们认可“快子”真的存在的话,那么和普通“慢子”之间,它们的特点对应关系为:

· 快子:质量是虚数(质量的平方为负数),速度比光速要快,而且永远不能降低到亚光速。

· 慢子:质量是实数(质量的平方为正数),速度比光速要低,而且永远不可向上超越光速。

为了解释它们的速度与能量之间的关系,我们可以绘制一个下面的图来加以说明。

普通物质的运动特征线是红线,随着速度的提高,按照爱因斯坦狭义相对论推导出来的质速方程,其运动质量也会随之增加,再根据爱因斯坦质能方程,要达到更高的速度,物质要获取的能量必须越来越大,当达到一定程度以后,哪怕提高一点点速度,所需要注入的能量就会非常大。理论上,要想将普通物质的速度达到光速,所需的能量就将是无穷大,显然可以得出结论:普通物质的速度都只能接近光速,但永远不可能超越光速。

对于“快子”物质来说,情况正好相反,按照假想中它的特性,想要使其减速到光速,就必须注入无穷大的能量。因此,“快子”物质的运行速度,只能向下无限接近光速,但是永远不会越过光速变为亚光速,也就是说“快子”物质永远都是超光速运行的。

打开网易新闻 查看更多图片

从以上分析可以看出,光速是一种速度的屏障或者壁垒,是横亘在普通物质和“快子”类物质之间不可逾越的界限。从某种意义上说,“快子”这种猜想中超光速运行的物质,并不违反相对论,因为相对论并不禁止超光速这种现象的存在,而只是禁止物质从亚光速“超越”过“光速”这个界限。

“快子”会违反因果律

人们通常用光锥图来解释狭义相对论的概念。由于时空充满了各种事件,从宇宙中强大的暴力事件,比如遥远宇宙空间中的超新星爆发,到我们看来非常平凡的事件,比如掉到地板上碎裂的鸡蛋,这两者看上去没有必要的因果联系。但是,如果我们把它们都映射到光锥图上,反映事件联系的进程线就有可能发生变化。

在宇宙时空中同样充满着观察者,每个观察者都有自己的参考系,那么在不同的参考系下所看到的事件发生顺序就有可能不同。比如,观察者1看到超新星爆发发生在鸡蛋碎裂之前,而观察者2则有可能相反。

因为每个所发生的事件,都有一个与之相关联的光锥。如果事件 B (鸡蛋碎裂)落在事件 A (超新星爆发)的光锥内,则两者可能存在因果关系,从某种意义上来说,是超新星爆发导致了鸡蛋的破裂,或者说鸡蛋的破裂导致了“垂死”恒星发生引力坍缩继而发生超新星爆发。在这个光锥中,传播速度比光慢的信号可以将事件联系起来,而光锥的边缘则代表着光速上限形成的“屏障”。如果要将光锥外部的事件与其内部的事件联系起来,就需要一个比光线传播速度更快的信号。

因此,如果事件A在光锥内而事件B在光锥外,那么我们假设的超新星爆发和鸡蛋破碎之间就没有因果关系,那么,如果存在着高于光速行进的快子,那么就可能将二者联系起来,但是却违反了因果关系,因为从某个参考系观察,在事件A发出信号之前,事件B已经接收到了这个信息。狭义相对论的基本假设之一,是物理定律在所有非加速参考系中应该是相同的。这意味着如果“快子”可以违反因果关系并在一个参考系中及时向后移动,那么它可以在所有参考系中做到,那么势必会引发相应的悖论。

综上,我们可以看到,如果一个"快子"在真空中运行,那么它必然会在空间中留下一道可以检测的光迹,但以我们现有的技术来看,观测到这种光迹的可能性似乎是不存在的,我们只能从数学公式中推导出它的存在。