光速和超光速,是我做科普的时候经常碰到的问题。按照爱因斯坦的相对论,速度越快,时间就越慢。当速度无限接近光速时,时间就趋于停止。那么是不是意味着,如果一个物体以超光速飞行,时间就会倒流了呢?
逻辑上分析,好像真的如此,毕竟刚才说了,速度越快时间就越慢,当速度达到光速时间就停止了,那么如果超过了光速,时间自然就会倒流。
不过,答案并非如此简单。
首先,从数学上分析,时间倒流是可行的,所谓的“负时间”在数学上是存在的。但是这是不是意味着“超光速就等同于时间倒流”呢?
如果时间倒流了,就意味着因果律就不成立了。所以,问题就演化为:“因果”真的可以颠倒过来吗?
多数人会斩钉截铁地回答:不可以!不过这在普通人眼里很简单的问题,对于科学家们来讲,其实他们并不完全知道问题的答案,科学家们当然不能像普通吃瓜群众那样单凭自己喜好和感觉下结论,他们更需要证据。
下面来具体分析一下到底怎么回事。
首先一个问题:什么是超光速?
这个看似无厘头的问题,其实并不简单。我们平时会经常这么说“超光速是行不通的”,其实这句话并不严谨。因为大自然本身其实并不反对是否超过光速,大自然一点也不在意速度到底是多少,有本事你随便超光速,大自然都无所谓。
何况,真的存在超光速现象,比如说宇宙膨胀速度,还有量子纠缠的速度,虽然这两种速度目前普遍被认为并不传递任何信息,但我们可以利用这两种“超光速”现象实现“间接超光速”。
无论怎样,“光速限制”是有前提的,这个前提就是:就有质量或者信息的物体在真空中的速度不能超过光速,其实这也是爱因斯坦的狭义相对论表达的思想。
不过相对论也不是完美的,不是无所不能的。比如说,相对论并不能解释“快子”的存在,快子,被认为是只能以超光速的速度飞行的粒子。虽然快子目前更多的只是假想概念,很多科学家并不相信快子真的存在,但是考虑到理论物理本身就是从研究假想概念开始的,所以我们并不能完全否定快子的存在。
先不说快子是不是真的存在,我们就来假定如果一个物体的速度超过了光速,来分析一下时间是否会倒流。
如果从数学公式上来分析,当物体的速度超过光速时,公式得到的答案就是一个虚数,而虚数被认为是没有现实意义的,这也是为什么说爱因斯坦的相对论公式中不允许出现超光速的现象。
问题是,虚数真的没有任何现实意义吗?
除了爱因斯坦的相对论之外,其他科学家,比如说托尔曼也曾经推导出来关于速度与时间的关系公式,可以看做是相对论公式的升华版,能够推导出这样的结果:当速度超过光速时,得到的时间就是一个负数,也就是“负时间”。
我们都知道,现实世界里时间只有一个方向,那就是永远向前,这种时间流逝方向可以理解为“正时间”,那么“负时间”意味着什么呢?
我们的现实世界有“因果”,那么,负时间流逝就意味着“反因果”,当然,对于“反因果”的概念,并不是所有物理学家都相信。这也并不奇怪,因为对于理论物理来讲,从来就没有一个理论让所有人都认同。
什么是“反因果”呢?
按照爱因斯坦的狭义相对论,如果物体或者信息的速度超过光速,那么“果”就会在“因”发生之前发生。比如说,你想给我发送一条信息,你还没发送呢,我就接收到了你的信息,显然这种情况违反了“因果律”,也就是“反因果”。
不要以为“反因果”完全是无厘头的概念,事实上已经有科学研究小组在做这方面的实验了,只是还没有明确结果。
如果具体理解“反因果”呢?
从科学层面来讲,科学家们把两个事件(因,果)的时空距离就像是空间那样,这两个时间都在“未来光锥”。说白了,时间就像是空间那样,我们可以回到过去,在这种情况下“果”完全有可能比“因”更早出现。
这也就意味着:你的“未来光锥”可能就是回到你自己的过去!这就像是把图中的光锥折叠起来,以“现在”为折叠平面,把未来和过去折叠在一起。
当然,超光速并不是折叠光锥的唯一假设方法, 还有其他方法,比如说负能量或者虫洞。
甚至爱因斯坦本人,也曾把超光速传递信息的方式称为“快子电话”,利用这种电话可以给过去发送信息,不过果真如此的话,有可能引发因果关系悖论,比如说“祖父悖论”,其实这也表明了相对论也无法诠释因果关系上的悖论。
由此我们可以得出这样的结论:如果一个物体的速度超过光速,在数学上就会呈现“负时间”流逝。这就意味着,超光速会破坏因果律,导致“反因果”。
但最大的问题就是:反因果和时间倒流理论在现实中真的成立吗?
很明显的一点是,反因果和时间倒流在爱因斯坦的相对论体系下是行不通的。但我们的思维也不能完全被相对论束缚住,有时候我们需要摆脱相对论的束缚,放飞我们的思想,解读一下其他科学家的观点。
比如说,著名物理学家,诺贝尔物理学奖得主费曼就是“反因果”理论的支持者。具体来讲,费曼支持的反因果理论是这样的。
反物质,大家肯定都听说过,任何微观粒子都有相应的反粒子存在,比如说电子的反粒子就是正电子,两者除了电荷相反之外,其他都是相同的。电子和正电子,也就是反电子相遇瞬间就会发生湮灭,释放出高能光子。
但是,你有没有想过这种问题:物质与反物质相遇为什么会发生湮灭呢?两者为什么就不能“和平共处”呢?
物理学家费曼的解释让我们眼前一亮,极大开拓了我们的思路:实际上物质与反物质并没有湮灭,因为物质与反物质其实原本就是同一物质。
物质与反物质的关系,就像是你和镜子里的你一样,镜子里的你与你自身其实是一个人,只是你们看起来是相反的。
具体来讲,费曼认为,普通物质在空间里是以正时间流逝的,而反物质在空间里是以负时间流逝的。而我们平时所讲的“湮灭”,不过是普通物质在时间方向上“掉头”了,朝着相反的时间行进了,也就是变成了反物质,在这个过程中就会释放出高能光子,这就是所谓的“湮灭”,其实就是在时空中创造出了一个裂口。
也就是说,在我们的世界里,也就是“正时间”世界看到的反物质,其实就是物质自身在生命进程中的“倒带”。这也表明了,普通物质在生命结束的那一刻,就是其变成反物质的开始,是反物质的“生命开始”。正时间上的终结,也就是反时间上的开端。
通俗来讲就是:因和果是不可分割的,相辅相成的,因就是果,而果当然也是因。是不是有点玄学的味道?
当然,并不是绝对的玄学。其实费曼想表达的是,我们平时看到的普通物质,包括我们自身在内,终究在未来某天会变为反物质,然后会继续朝着“负时间”的方向行走。
不过费曼的思想更多的仍旧停留在纯理论分析,或者更多的只是假想罢了。
最大的问题仍旧是,我们平时看到的普通物质,如果真的超过了光速,真的会成为“反物质”然后朝着“负时间”的方向流逝吗?快子是否真的存在,它与物质与反物质之间到底有什么关系,或者说“普通物质一旦超过光速,就会变成快子吗?”
这些问题绝不是科幻层面的问题,早已经成为如今科学研究的方向,只不过科学家们目前还没有找到答案而已。
按照爱因斯坦的相对论诠释,光速限制是以四维时空为背景的,这是否意味着如果脱离了四维时空的束缚,就可以尽情地超越光速,甚至必须以超光速飞行呢?脱离了四维时空,我们最终会达到哪里呢?
这些也都是未知之谜,会涉及到高维度时空的概念,这也是科学家们研究的方向。
总结
虽然“反因果”和“负时间”这两个概念目前更多的只是假想,但在理论物理学上的确存在,但是超光速是否会导致时间倒流,引发“负时间”,目前科学家们并不知道,但也不排除这种可能性。
但是,就算是反因果和负时间确实存在,也并不意味着我们可以改变过去,或许我们只能看到或者回到过去但没有任何办法改变过去,也就是改变“命运”。
而关于因果关系,我只能说:有因必有果,而有果也必有因。不管“因”和“果”谁先谁后,两者都是可以颠倒的,也都是密不可分的,这也是在现有的理论物理下进行推理的,至于更深的思考或者想象,我们大可以放飞思想,尽情地想象,甚至可以用因和果之间的关系为基础写一本科幻小说。
完!