Physics 版 (精华区)

发信人: mingxu (蜀娃儿), 信区: Physics
标  题: 超光速在物理学中是不可能的
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年04月01日17:59:12 星期一), 站内信件

发信人: jdeng (尘埃), 信区: Science
标  题: 超光速在物理学中是不可能的
发信站: 北大未名站 (2002年03月30日11:13:32 星期六), 转信

要推翻一个结论，最有效的办法就是推翻它建立的基础，如果你可以推翻以下推导

的基础，也就是两个基本假设，那么祝贺你，你可能找到物理学中的超光速。否则
，
我很遗憾的说：超光速在物理学中是不可能的。

全部狭义相对论主要基于爱因斯坦对宇宙本性的两个假设。

* 第一个可以这样陈述： 所有惯性参照系中的物理规律是相同的

他的第二假设是简单地将此原则推广到电和磁的规律中。这就是，如果麦克斯韦假

设是自然界的一种规律，那么它（和它的推论）都必须在所有惯性系中成立。

* 这些推论中的一个就是爱因斯坦的第二假设： 光在所有惯性系中速度相同

从第二假设，我们会得出一个和常识自相矛盾的结论。我们用来将速度从一个参照

系转换到另一个参照系的“常识相对论”和爱因斯坦的“光在所有惯性系中速度相

同”的假设相抵触。只有在两种情况下爱因斯坦的假设才是正确的：要么距离相对

于两个惯性系不同，要么时间相对于两个惯性系不同。

实际上两者都对。第一种效果被称作“长度收缩”，第二种效果被称作“时间膨胀
”。
然后我们引入表征长度收缩和时间膨胀效应的伽玛参数γ。

下面我们证明：实际情况是超光速在物理学中是不可能的。

假想一个人进行太空旅行，奋力想将他的飞船加速到光速。好，我们已经知道物质

的能量与γ参数成比例，这在相对论计算中太普遍了。但你现在也会知道当物体的

运动速度等于光速时，γ参数将变为无穷大。因此，为了让他飞船加速到光速，他

将需要无穷大的能量。这显然是不可能的。因此尽管对于一个物体可以以多么接近

光速的速度运动并无限制，但任何有质量的物体都不可能达到光速。实际上，没有

质量的物质必须以光速运动，在此我不想讨论其原因。唯一的一种没有质量的物质

是光（被称作“光子”），或许还有中微子（但不久前已经证实，中微子有质量）


还有其他物体不能朝光速运动的原因。其中之一与“因果性”有关。假设我投出一

个垒球并打碎了一扇窗户，那么“我投出球”就是“窗户被击碎”的原因。如果超

光速是可能的，那么一定会有某种参照系，其中“窗户被击碎”先于“我投出球”

发生。这导致各种逻辑冲突（特别是当窗户已经碎了之后又有人截获了飞行中的球
，
阻止了窗户被击碎！）因此我们将物体能超光速运行这种可能性排除了。更进一步
，
因果性排除的不仅是朝光速运动，更排除了任何超光速通讯。

光速，就我们所知而言，是一道不可逾越的障碍。

如果你和我一样是个科幻迷，这将是一个坏消息。几乎可以肯定，在除地球之外的

太阳系中不存在有智慧的生命。然而恒星间的距离太远了！我们即使以光速运行，

到达最近的恒星也要花上4年时间。所以没有比光快的交通手段，将很可能无法在
银
河系中游荡并与异型文明相遇，为争夺银河系的帝位而站，等等。

另一方面，由于长度收缩，或许情况并非那样令人绝望。假设你登上一条飞船，以

接近光速飞往10光年以外的一颗恒星。从地球的参照系看来，这个旅行将持续10年
。
然而对于这次旅行中的乘客而言，长度缩短了。因此这个旅行只用了不到10年的时

间。并且飞船飞行得越接近光速，（相对于地球和恒星的）长度收缩得也越多（你

也可以从时间膨胀的角度考虑这个问题）。

为建造一艘可以像这样无限加速的飞船，现在看来有无穷的技术困难。这些困难可
能
会被证实是不可克服的，那么我们就只能在幻想的空间遨游；但如果它们是可以克
服
的，并且如果我们人类可以活得足够长以克服它们，那么我刚才所描述的正是依据
狭
义相对论的理论上（可行的）远程宇宙旅行。

当然，许多科幻小说仍然加入了超光速飞行。但它们也常常不得不在其中引入一些
奇
怪的概念，如：“（时空）扭曲”、“超时空”。最终的情况是：就我们今天所知
的
时、空而言，超光速飞行是不可能的。但如果你喜欢，你总可以寄希望于某种时空
的
“窗口”或一个全新的，允许物体超光速运动的物理分枝被发现。

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                       轻轻的我走了，
                       正如我轻轻的来.....
 
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