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一. 光速不變的歷史背景

其實(shí)早在19世紀(jì)末的時(shí)候，物理學(xué)家就已經(jīng)察覺到一些光速的不尋常了。光速的異常第一次出現(xiàn)在電磁波里面。當(dāng)時(shí)英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋剛剛提出著名的麥克斯韋方程組，統(tǒng)一了電磁學(xué)。人們很快發(fā)現(xiàn)，根據(jù)麥克斯韋方程組的預(yù)言，光速在任何參考系中似乎都應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)和光源，和觀察者的速度都無(wú)關(guān)。這句話的意思是說(shuō)，我手拿一只電筒，我看到電筒放出的光以光速往前運(yùn)動(dòng)。這很自然。不過(guò)如果我坐上一個(gè)0.5倍光速向前運(yùn)動(dòng)的火箭，我看到電筒的光還是以光速向前運(yùn)動(dòng)，而且沒(méi)有上火箭、靜止著站在地面的其他觀察者看到的光也是以光速向前運(yùn)動(dòng)，這就實(shí)在是太奇怪了。

二. 實(shí)驗(yàn)與兩大基本假設(shè)

在電磁學(xué)理論剛出來(lái)的時(shí)候，物理學(xué)家們對(duì)光速不變這樣的推論其實(shí)是拒絕的。這太違反直覺了，一定是電磁學(xué)理論在什么地方出了問(wèn)題。然而經(jīng)過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間的摸索和修改，光速不變的這朵烏云不但沒(méi)有從物理學(xué)的理論框架中消失，反而變得越來(lái)越強(qiáng)烈和明顯，想忽略都不行。

在1887年，兩位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，邁克爾遜和莫雷嘗試通過(guò)邁克爾遜干涉儀來(lái)測(cè)出光速相對(duì)于地球公轉(zhuǎn)速度的變化。

然而實(shí)驗(yàn)事實(shí)卻以很高的精度告訴他們，盡管地球的公轉(zhuǎn)速度一直在不斷改變，但在地球上測(cè)到的光速卻是時(shí)時(shí)刻刻都是一樣的。這就意味著光速真的跟地球參考系的公轉(zhuǎn)速度沒(méi)有任何關(guān)系。

圖一： 邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)原理圖

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)非常強(qiáng)有力地表明了光速就是自然界里的一個(gè)非常特殊的速度，好吧，既然實(shí)驗(yàn)沒(méi)有辦法否定它，人們只好學(xué)習(xí)如何去理解并接受這一事實(shí)。到了1905年，瑞士專利局的一個(gè)年輕人，阿爾伯特·愛因斯坦決定正式承認(rèn)光速不變這個(gè)事實(shí)，并將光速不變作為一個(gè)基本假設(shè)放入它的新理論中。這個(gè)新理論就是后來(lái)大名鼎鼎的狹義相對(duì)論。

狹義相對(duì)論建立在兩大基本假設(shè)之上，其中一個(gè)是相對(duì)性原理，即要求物理定律不依賴于任何具體的慣性參考系。所以的慣性參考系均是平權(quán)的。第二個(gè)假設(shè)就是光速不變。但非常奇妙的是，人們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)看似簡(jiǎn)單的基本假設(shè)要同時(shí)滿足的話，必須付出非常巨大的代價(jià)。因?yàn)檫@兩個(gè)假設(shè)在牛頓的絕對(duì)時(shí)空下是互相矛盾的。所以如果它們兩者都對(duì)的話，就一定意味著時(shí)間和空間不再是以前那種絕對(duì)的物理對(duì)象了。我們必須建立全新的時(shí)空。

三. 光速不變帶來(lái)的時(shí)空觀

如果我們用一種叫做洛倫茲變換的數(shù)學(xué)工具來(lái)代替牛頓時(shí)期的伽利略變換。那么愛因斯坦提出的兩大基本假設(shè)就可以同時(shí)得到滿足。

圖二：慣性參考系的洛倫茲變換

但代價(jià)是，在不同的慣性參考系中長(zhǎng)度不再是不變的了。時(shí)間的流逝速度也不再是一樣的了。甚至在不同的地方，時(shí)間的先后順序都不一樣了。在一個(gè)參考系中A事件在B事件之后發(fā)生。換一個(gè)參考系，A事件就有可能在B事件之前發(fā)生。也就是說(shuō)，未來(lái)會(huì)變成過(guò)去，過(guò)去會(huì)變成未來(lái)！

四. 如果超過(guò)光速會(huì)發(fā)生什么？

未來(lái)跟過(guò)去居然也是相對(duì)的。那這樣依賴于時(shí)間順序的因果律不是就完全亂套了嗎？不過(guò)還好。如果我們觀察得更細(xì)致一些，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)間順序的顛倒并不是一個(gè)普適情況，要發(fā)生過(guò)去和未來(lái)的顛倒需要滿足一些前提條件。這個(gè)條件就是：如果兩個(gè)觀測(cè)者看兩個(gè)事件A,B的發(fā)生先后順序要顛倒的話，則要求這兩個(gè)事件在時(shí)空上的間隔是一個(gè)類空間隔才行。

什么叫類空間隔呢？

圖三：時(shí)空?qǐng)D

我們?nèi)绻脮r(shí)空?qǐng)D來(lái)表示我們這個(gè)世界，水平方向是我們的空間坐標(biāo)，豎直方向是我們的時(shí)間坐標(biāo)。那么光線運(yùn)動(dòng)的軌跡就一定處于一個(gè)45度傾角的圓錐中，這個(gè)時(shí)空?qǐng)D上的圓錐就叫做光錐。它把我們的時(shí)空分成了三部分，分別是：處在光錐內(nèi)部的，叫做（關(guān)于原點(diǎn)的）類時(shí)間隔。處在光錐之上的，叫做（關(guān)于原點(diǎn)的）類光間隔，和處在光錐之外的，叫做（關(guān)于原點(diǎn)的）類空間隔。

類空間隔的一個(gè)特性我們剛剛說(shuō)了：兩個(gè)事件的時(shí)間先后順序想要顛倒的，這兩個(gè)事件必須處于類空間隔上。

類空間隔另一個(gè)的特性是:如果想從原點(diǎn)到達(dá)類空間隔的任何位置，那么運(yùn)動(dòng)速度必須要超過(guò)光速才行。

兩個(gè)特性一結(jié)合我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)：任何能量，物理和信息都不能超光速傳播！為什么呢？因?yàn)槿绻腥魏我环N信息可以超過(guò)光速，那么它就可以從事件A到達(dá)事件A的類空區(qū)域上的一個(gè)事件B。而類空間隔的兩個(gè)事件AB不具有絕對(duì)的過(guò)去和未來(lái)。這就使得從A,B既可以是對(duì)方的過(guò)去，又可以是對(duì)方的未來(lái)。而如果A，B之間還有超光速的信息往來(lái)。那么這就意味著我們可以從未來(lái)發(fā)送一些信息來(lái)影響過(guò)去了! 這樣世界的因果律會(huì)瞬間土崩瓦解。

而這正是物理學(xué)家們?nèi)绱斯虉?zhí)地堅(jiān)持任何信息一定不能超過(guò)光速傳播的原因。