《大眾科學》最近的文章討論了超光速旅行。但我一直認為愛因斯坦的相對論禁止這樣做。這是怎麼回事?

康涅狄格州立大學中心分校的物理學家托馬斯·羅曼提供了以下回應

愛因斯坦的狹義相對論預言,沒有任何東西可以超過光速。但狹義相對論適用於時空是平坦的情況。當時空彎曲時,該理論僅“區域性”適用——即在足夠小以至於可以被認為是平坦的時空區域內適用。考慮一下與球體相切的平面的類比。當平面的尺寸遠小於球體的曲率半徑時,平面的平坦幾何形狀是對球體幾何形狀的良好近似。

動畫:肯尼斯·瓊斯
超光速旅行, 如《星際迷航》等系列中所描繪的那樣,是不可能的——除非可能在時空或阿庫別瑞曲速泡內。


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在彎曲時空中,當我們比較兩個相距遙遠的觀察者時,我們不能再使用“區域性平坦”近似。在平面和球體的類比中,這種情況對應於比較球體上兩個觀察者,他們之間的距離與球體的曲率半徑相當。儘管每個觀察者都可以在其區域性區域將幾何形狀近似為平面,但沒有一個平面適用於兩個觀察者。因此,彎曲時空中的兩個觀察者都可以在各自的區域性區域應用狹義相對論,但不能全域性應用。

在膨脹的宇宙中也出現類似的情況。在這裡,人們不應該認為星系在空間中移動,而應該認為星系之間的空間正在膨脹。愛因斯坦的廣義相對論(這些模型的基礎)對空間膨脹將星系推開的速度沒有限制。但狹義相對論仍然在區域性適用,即追逐光線的粒子永遠無法趕上光線。一個類比是想象一下在橡膠片上爬行的蟲子。透過拉伸橡膠片,我們可以使蟲子以任意高的速度彼此遠離,但沒有蟲子可以比光束更快地爬過橡膠片。

在關於“曲速引擎”的嚴肅提議中,例如阿庫別瑞曲速泡,氣泡內部的空間是平坦的,狹義相對論適用。在這個區域,相對於氣泡內部的觀察者而言,沒有任何東西可以超光速旅行。在氣泡外部,時空也是平坦的,相對於氣泡外部的觀察者而言,也沒有任何粒子可以超光速旅行。但是,由於氣泡壁中時空的大量膨脹和收縮,氣泡內部可以相對於外部以超光速移動。氣泡內部的光線也是如此;它們也會被時空扭曲帶走。導致兩個平坦時空區域不匹配的原因是分隔這些區域的氣泡壁中存在很大的時空曲率。

劍橋大學的宇宙學家馬丁·布歇補充了這一見解:

在愛因斯坦之前關於空間和時間本質的概念中,物體可以運動的速度原則上沒有限制。但在愛因斯坦的狹義相對論中,如果任何型別的物質、能量或訊號能夠超光速傳播,因果關係的概念——即過去完全決定未來——就會崩潰。

在愛因斯坦之前的框架中,時間具有絕對性。一個事件的時間——以及它的時間順序——對所有觀察者來說都是相同的;速度根據普通加法相加。對於非常小的速度(與光速相比很小),相對論中也是如此,但對於大速度,會發生顯著的修改。20世紀初,邁克爾遜-莫雷實驗確立了光速對於所有觀察者來說都是相同的,無論他們的相對運動如何。因此,速度相加定律必須修改。兩個物體的相對速度,一個以光速運動,另一個以亞光速運動,必須等於光速。當兩者都以亞光速運動時,相對速度必須小於光速。

圖片:SLIM FILMS
蟲洞。 如果自然允許它們存在,蟲洞將以球形開口的形式出現在宇宙中原本遙遠的部分。這張經過處理的照片顯示了時代廣場的一個蟲洞,它通向一個街區外的撒哈拉沙漠。

一個令人驚訝的後果是時間失去了它的絕對性。彼此相對運動的觀察者感知到的時間不一致。但觀察者總是對事件的順序達成一致。如果我們承認超光速的可能性,一些觀察者會認為一個事件發生在另一個事件之前,另一些觀察者會認為它們同時發生,第三組觀察者會認為順序相反。只有當兩個事件可以透過以小於或等於光速的速度傳播的訊號連線時,時間順序才是不變的。

在膨脹宇宙的背景下,人們經常說,廣闊空間中分隔很遠的點以超過光速的速度彼此遠離。乍一看,這似乎是不可能的。但膨脹的宇宙必須在愛因斯坦的廣義相對論(狹義相對論的推廣)的框架內考慮。在廣義相對論中,相對於光速的運動是區域性定義的。由於中間時空的膨脹,兩個遙遠點之間的距離可能以超過光速的速度增加。沒有任何東西可以比光速更快地穿過空間,但空間本身可以超光速地將事物分開。

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