超光速与时间倒流

摘要：在低速运动的情形下，同时、时间均匀、长度不变都是毫无疑义的概念.但是在近光速甚至超光速的环境中，同时是相对的，时间是可以变快或者变慢的，长度也是随着速度而改变的.在超光速的情形下，时间甚至能够倒流.

关键词：同时的相对性；动钟变慢；超光速；时间倒流

我们现在的航行，速度远远低于光速，而超光速航行，更是离我们遥不可及的事情，但是聪明的你我，可以展开丰富的想象，描绘一下超光速航行途中的奇遇.不过，要想描述好这些奇遇，还是要从爱因斯坦的相对论开始.

阿尔伯特・爱因斯坦（Albert.Einstein）（1879-1955），美籍德国犹太人.1921年诺贝尔物理学奖获得者.他创立了代表现代科学的相对论，并为核能开发奠定了理论基础，它的深刻影响及广泛应用方面开创了现代科学新纪元，被公认为自伽利略、牛顿以来最伟大的科学家、思想家.在这个改变世界的学说里，他向我们介绍了我们闻所未闻的观念.

一、眼见不一定为实――同时的相对性

“眼见为实”这个成语我们都用了多少年了，现在这个成语竟然不管用了？别急，我们不妨走进一辆高速行驶的火车来做个实验.如图1所示，假如一辆向右行驶的列车的一个长方体车厢中，其天花板中央吊着一盏关闭的吊灯（如图中小方框所示），吊灯正下方的车厢内站着实验员A；该节车厢外在站台上有一个实验员B与实验员A站在同一竖直线上；若实验员A、B同时测量吊灯打开后光线（两条光线在同一直线上，并垂直于车厢两侧平面，平行于车厢其余四面）照射到车厢左右两侧的时间，那么两个实验员测得的结果会不同：

对于实验员A而言，他的参考系为车厢，因此吊灯相对于车厢是静止的，所以光线照到车厢左右两侧的时间是相等的.若设车厢长为2L，光线到达车厢左右两侧的时间分别为t1、t2，光速为c，则有：t1=Lc= t2.

对于实验员B而言，他的参考系为站台，因此吊灯是运动的，其运动状态与列车车厢相同，则此时光线照到车厢左右两侧的时间是不等的.因为向左的光线由于与车厢左侧反向运动，向右的光线与车厢右侧同向运动.由基本的追及问题原理可知，两个在同一直线上匀速直线运动的物体，速度快的追及速度慢的时，相向而行比同向而行所花的时间少.若v快>v慢，s≠0，则s/（v快+v慢）< s/（v快-v慢）.回到上面的问题，因为吊灯的光速c远远大于列车的车速v，而路程L≠0，所以L/（c+v）< L/（c-v）.也就是说，向左的光线到达车厢左侧的时间要比向右的光线到达车厢右侧所花的时间短.也可以这样理解：对于B实验员而言，当向左的光线到达车厢左侧时，实际上左侧已经向右移动了一段距离，即图中的L，而当光线运动到车厢的右侧时，右侧已经向右移动了一段距离，也等于L，所以在实验员B的眼里，当吊灯的光线到达列车的左侧和右侧时，向左的光线实际运动的距离是L-L，向右的吊灯光线实际移动的距离是L+L，因此光线向左移动到列车左侧的时间为L-Lc，光线向右移动到列车右侧的时间为L+Lc，显然，L-Lc

由此可见，在判断两个事件是否同时发生时，需要考虑参考系的选择.参考系的选择不同，情况也不同.可以说，两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关.

这些你明白了吧？两个列车员可都是亲眼看到同一个吊灯的光线的，可是到达列车两边的时间却各不相同！

二、运动的时钟会变慢

坐在家里的客厅内，看着墙上的挂钟，秒针走了一圈，你就知道一分钟过去了；骑着自行车快速向学校蹬去的过程中，秒针走了一圈，你也毫不怀疑的认为和在你家里的客厅中一样，也过去了一分钟.

而相对论却告诉我们，运动中的时钟会变慢的！如图2所示，一辆列车的某节车厢中，比车厢地板高L的车顶上固定着一个反光镜，反光镜的正下方的车厢内坐着实验员甲，假设列车是以速度v向右做匀速直线运动的，而对于甲而言，他是以车厢为参考系的，所以反光镜相对于甲是静止的，因此他手中的激光笔发出的光竖直向上照射到反光镜，并且又被反光镜竖直向下反射到甲所在的A点，因此这个过程中甲手中的表记录下的时间t1=2L/c.

此过程中车外站着一个实验员乙，他正对着实验员甲和车厢顶部的反光镜，他看到的甲手中的激光笔的光线是沿着以L为直角边的直角三角形的斜边到达车厢顶部的反光镜，被反光镜反射后的光线又沿着以L为直角边的直角三角形的斜边到达随着列车一起移动到B点的原A点，即此过程中乙看到的光线的路径是两个斜边长度，因为直角三角形的斜边大于直角边，所以这个过程中乙手中的表记录下的时间t2=2L′/c.显然，这里的t1

这时你是不是又有了疑问，那么运动中的那个人的寿命岂不是比站在地面上的那个人要长？但是对于每一个人自己而言，他们并不觉得自己度过的时间有什么异常，他们都觉得自己度过的时间既没有变长，也没有变短.

因为宇宙中运动是绝对的，没有绝对静止的物体，而正是由于物体运动变化使得我们能感知到时间流逝，由于原子和分子的运动使得世间万物的形态会改变，从而使时间得到体现的，没有运动和变化，时间就得不到体现.比如说分子，原子不运动，就不会有新陈代谢，因为就如同化学里的化学反应一样，分子的位置不发生变化就不可能发生结合，人就不死不灭也可以说就是一个非生物而已，世间的一切都会恒定不变，没有化就体现不出时间的存在，因此不论人处于何种运动速度下，寿命都是有限的，人本身是感知不到绝对时间的，绝对时间也不存在.若在另一个星系粒子的运动速度为地球的一亿分之一，一个地球人住在上面在地球人看来她可能会活一百亿年，几乎与日月同寿，如果把她的生活录下来拿到地球上给我们看，他们的动作相当于我们自己的动作慢放一亿倍，比如说我们吃饭要一小时，而他们吃饭在我们看用了一亿小时，他们并没有在这一亿小时内干更多事情.所以，时间的变化与否实际上仍然与参考系有关.

三、超光速运行的奇妙

现在我们一起回到超光速航行这档子事情上来吧.我们知道，自然界中最快的速度就是真空中的光速.如果我们能以超光速去航行，会出现什么奇妙的现象呢？

爱因斯坦的相对论说，速度越快时间就过的越慢，当速度接近光速时，时间慢的近乎处于静止状态，当速度达到光速之后时间就可以倒流.实际上来说，我们对这个问题的研究还没有达到能够论证的地步，那么从理论上来说，时间真的可以倒流吗？

超光速只是一种假设，举个简单例子，星星大家都见过，大家也应该知道星星是几百亿光年以外的恒星.理论上，我们看到的光，都是几百亿年以前传过来，一直传到现在才到达地球，进入人的眼睛.也就是说，这些东西已经不存在.如果能有一个航天器将恒星拍摄下来以超光速的速度向地球行驶，那么理论上是可以提前看到光所传送过来的景象.如此推论下去，就是可以看到光所发生之前的景象，这就是所谓的时光倒流.

当然，这仅仅是一种假说.而目前我们所认识的实际情况是什么呢？简单的说，根据相对论，速度越快，时间越慢，但是时间永远也不会倒流，最多只会变的很慢很慢.还有就是目前两大不可超越，一是绝对零度无法达到，二是光速无法超过，所以超光速是行不通的.从实际上说，人类的智慧尚不足以阻挡时间的飞进；而根据爱因斯坦的理论，时间和空间可以在光速中发生变化，所以从理论上来说，时光倒流，回到从前绝非不可能.

好了，关于超光速航行的假设，就等着读完这篇文章的你继续去探究吧！

参考文献：

[1]《相对论百问》，赵峥著，北京师范大学出版社，2010年7月.

[2]《相对论通俗演义》，张轩中著，广西师范大学出版社，2014年6月.

[3]《宇宙密码：作为自然界语言的量子物理》，[美]海因茨・R・帕格尔斯（Pagels.H.R.）著，郭竹第译，上海辞书出版社，2011年8月.