自然界存在一种被称作牢不可破的基本原则,我们称之为因果律,简单来说,就是原因必然在结果之前发生。
若我们认同因果律(至少目前看来,我们没有理由不承认它),那么我们不得不认可光速的界限,宇宙中带有质量的物质无法达到或超过光速,信息的传递亦不能超越光速。
因此,我们常说宇宙中的极限速度是光速,大约是每秒30万公里,我们日常生活中所见的任何有质量的物体,它们只能尽量靠近光速,但永远无法触及或突破光速。
光速的界限也是爱因斯坦相对论的核心内容之一,这一点在质量增加公式中得到了充分体现。当一个物体的速度无限接近光速,其质量会趋于无穷大,这是自然界所不容许的状况。
科学家借助大型强子对撞机不断加速微观粒子,这些粒子的质量微不足道。尽管他们不断加速,但无论怎样,都无法让它们突破光速。科学已经使粒子的速度与光速仅有0.000001%的差距,但这微小的差异却是不可逾越的鸿沟。
有人或许会质疑,距离光速仅仅一步之遥,难道是因为我们不够努力吗?如果再加把劲,难道不能超越光速吗?
然而,现实是,这一步之遥,其实是无法跨越的巨大障碍!
但对于无质量(指静质量)的粒子,比如光子、胶子、引力子(尽管目前还是理论构想)来说,它们只能以光速行进,没有其他选择,且一经诞生,即可拥有光速,不存在任何加速过程。
那么,自然界为何要严格禁止超光速现象呢?
答案实际上早已给出:因果律。一旦粒子速度超越光速,宇宙的秩序将被彻底打乱。
举个简单的例子,假如一颗子弹速度超光速,意味着在我扣动扳机前,你已经被击中。结果发生在原因之前,岂不是一切都乱了套?
或者换个更直观的例子,你的脸先感到疼痛,而后我才扇了你一耳光!
自然界的一切,都是由四种基本作用力维系的,它们是强作用力、弱作用力、电磁力和引力,而这四种作用力是靠四种基本粒子传递的,分别为胶子、玻色子、光子和引力子。
如果物体速度超过光速,传递这四种力的基本粒子很可能无法跟上物质的步伐,那么物质如何结合在一起呢?
这就是为什么自然界会设置速度上限。然而,宇宙中确实存在超光速现象,并且并未违背因果律,是被自然界允许的。这些现象包括哪些呢?
首先,我们来看宇宙诞生初期的暴涨现象。
根据宇宙大爆炸理论,138亿年前,体积无限小的奇点突然膨胀,形成了我们的宇宙。
然而,暴涨理论告诉我们,时间并非从零开始,而是从普朗克时间开始,大约是10的负41次方秒。在那个时刻,宇宙已经存在。当时,宇宙中不存在任何粒子,只有纯能量,这种能量引发了宇宙的指数级膨胀,在大约10的负36次方秒后,暴涨结束。
这一过程的速度有多快呢?很难精确计算。但仅在宇宙诞生一秒钟后,其尺寸已达到一光年。一年之后,其尺寸与银河系相当。看吧,这样的速度远超光速。在宇宙暴涨速度面前,光速实在缓慢。
其次,是宇宙的膨胀速度。
从诞生至今,宇宙一直在膨胀,膨胀速度约为每增加一百万光年距离,空间膨胀速度就增加20公里每秒。别以为这个速度很慢,当空间距离足够大时,很容易超过光速,甚至远超光速。实际上,宇宙膨胀的过程就像吹气球,气球上的点代表星系,随着气球膨胀,点与点之间的距离越来越大。
这意味着,与银河系足够远的星系,实际上正以超光速远离我们。但这并不违反爱因斯坦的相对论,因为星系本身并未相对运动,只是它们之间的空间在膨胀。
第三种是量子纠缠的速度。
关于这一点,我之前的科普文章中已有详述。量子纠缠是量子世界中一种奇异现象,其本质至今未知,但我们知道量子纠缠是真实存在的,只是不能用宏观物理规律来理解它。
科学家早已发现,量子纠缠的速度远超光速,甚至可能超过光速一万倍,这并不违反爱因斯坦的相对论,因为在量子纠缠中,没有任何信息被传递。当我们尝试测量粒子获取信息时,粒子会发生波函数坍缩,成为确定状态,这一过程是随机的。
第四种是介质中的超光速现象。
这涉及到著名的切伦科夫辐射,简单说,光在介质中的速度小于在真空中的速度,因此介质中的物体速度可能会超过其中的光速。
例如,光在水中的速度大约只有真空中速度的四分之三,也就是大约每秒22.5万公里。理论上,我们可以让水分子速度达到每秒25万公里,这不就是超光速了吗?
在水中比光速更快,这种情况发生时,相当于水分子冲破了光障,产生切伦科夫辐射,这是一种光学“冲击波”。
综述
自然界所谓的“光速限制”并非绝对,是有条件的,那就是任何传递信息的速度都不能超过真空中的光速,这并不意味着光速绝对不能被超越。
也就是说,只要任何速度不涉及信息传递,就可以随意超越光速。关于时空的移动速度和可折叠性,可能让我们实现间接的“超光速”,这是人类梦寐以求的科技,即时空折叠。具体来说,就是曲速引擎或虫洞科技。