为什么任何有质量的物体,都无法超越光速移动呢?
难道是因为宇宙这条高速公路上,有人立了一个牌子,上面写着“每秒三十万公里以上禁止通行”吗?
其实,真正的理由说起来还挺单纯的,要让一个东西加速,基本上就得消耗能量,这是适用于所有有质量物体的基本物理原则,而且速度越快,想再加速就会需要越多的能量,当速度接近光速时,“时间变慢”这类相对论效应也会变得无法忽视,结果就是,要突破每秒大约三十万公里这道墙,会遇上两个难以克服的大难题。
第一个问题是,当速度达到光速时,时间会变成零,而在这种状态下,让时间再变“更慢”根本就毫无物理意义,因为时间不能倒流,这会违反“每件事情的原因都必须发生在结果之前”的基本因果律。
第二个问题是,要让东西突破光速,所需的能量大到夸张,就算把整个可观测宇宙拿来燃烧,也连一颗原子的速度都加不动,计算下来,要达成这样的加速,所需要转换为能量的质量,几乎会趋近于无限大。
这当然是不可能发生的事。即使宇宙外面真的还存在其他宇宙,加起来的总质量再多,也终究还是有限的,不可能变成无限,所以,只有那些没有静止质量的粒子,才有办法以光速移动,像是光子就是其中的代表。
光子一出生就是光速,根本不需要经过加速,自然也就没有那种要无限能量才能加速的问题,不过,跟时间有关的问题可就没这么简单,这部分还是个未解的麻烦,这就是为什么光速会被视为“极限速度”的根本原因。
而就算这些问题全部都能解决,还会剩下一个很重要的难题。
那就是“观测的问题”,要解释这个概念,最简单的方式就是举个例子来说明,有看过打雷的人应该都知道,会先看到闪电,几秒后才听到雷声。
为什么会这样呢?
因为闪电本质上就是会伴随爆炸的放电现象,而光速比音速还要快,所以我们的眼睛会先接收到闪电的光,接着耳朵才会听到声音,如果你有看过超音速战机,也会有类似经验:先看到飞机,然后才听到它的轰鸣声。
那我们现在试着想象一下,有个东西正在以比光还快的速度移动,我们人类大多数的资讯来源,其实都来自视觉,也就是眼睛看到的东西,眼睛接收从物体反射过来的光子,经由视网膜传送到大脑,再由大脑加以解读,这整个过程就是“看见”。
但如果某个物体的移动速度比光还快,它自己反射出来的光子会被它甩在后面,等于它自己把光超车了,就像音速战机超越自己的声音一样,换句话说,这样的东西根本无法被我们真正“看到”。因为我们眼前看到的那个位置,早就已经没有那个东西了,而且从它留下的光子中,我们也无法正确掌握它的外型或特性。
所以说,关于超越光速这件事,我们目前已经可以整理出一个完整的轮廓了,到这里为止,其实都还算是有逻辑可循,只要在学校物理课有认真听讲的人应该都能理解,不过,这种事情在科学领域很常见:现实的观测结果,常常不会乖乖照着理论或我们以为理所当然的逻辑来走。
很多时候,观测的数据就是跟理论合不来,跟我们的直觉也完全对不上,现实世界,本来就比我们想象的还要复杂得多,“红移现象”,这个名词其实早就是天文学界耳熟能详的话题,宇宙在膨胀,所以越远的银河跑得越快,离我们也越来越远。
从这些银河传来的光,可能花了几十亿年才抵达我们,但在这段时间里,连带着空间本身也不断拉伸,光的波长也会被一起拉长,结果就是,波长变长,光会偏向可见光谱中的红色那一边,更惊人的是,最远的那些银河,看起来竟然是在用超越光速的速度离我们而去。
但我们刚刚不是才确认过,东西是不可能跑得比光还快的吗?
那到底是怎么回事?又为什么我们还能“看见”它们呢?
难道说,是爱因斯坦搞错了?我们刚刚讲的全部,其实都只是骗人的假说?
首先请大家放心,爱因斯坦并没有错,科学理论其实都有各自适用的范围,只是限制不同而已,我们日常生活中用牛顿力学就绰绰有余了,像是烧开水这种小事,当然不需要搬出量子热力学来解释。
不过呢,也确实存在牛顿力学派不上用场的状况,而这次我们要谈的,就是这样的例子,“速度”的定义其实有好几种,而且相对论本身也有多种层面,这些观点之间不是互相矛盾,而是互补存在的。
所以首先,我们得搞清楚这些用语真正的意思,“不能超越光速”这句话,在某种程度上可以直接理解:也就是说,任何物体本身的移动速度,都无法在真空中超过光速。
那么来想象一个情境吧:假设你现在站在手扶梯上,正准备往上移动,你的步行速度有限,即使不走路,光是站在手扶梯上,它也会自己载你往前进,可是,从楼下静止的人看来,你的距离却越来越远。
为什么会这样呢?
因为你站着的这条“传送带”本身就在往前动,所以从其他人看来,你的速度就是走路速度加上手扶梯本身的速度,银河也差不多就是这样的概念,就像站在这条“宇宙传送带”上的人一样,银河本身的移动速度并不算特别快。
但重点在于,这条“传送带”——也就是时空本身正在扩张,而两个银河之间的距离越远,彼此分离的速度也会变得越快,而这个“时空膨胀的速度”并不受到光速的限制。
所以,这样是不是就违反了相对论呢?
完全没有!这其实一点问题也没有。
银河会不断远离我们,正好就是“相对运动”的一个典型例子,更重要的是,银河本身并没有真的往某个方向飞奔,它们也没有加速,就像静静地漂浮在原地一样,之所以会看起来像是在逃走,其实只是因为空间本身正在伸展开来。
我们再用一个例子来帮助想象:假设在一颗吹大的气球表面,画上代表银河的小点,这些点其实都没有在气球表面上乱跑,它们就只是原地不动地待在那里,但随着气球不断膨胀,点与点之间的橡胶会被拉开,距离自然就越来越远。
不管你站在哪个点上看,其他所有的点都在远离你,而且距离越远的点,看起来远离的速度就越快,而这种“点与点之间的距离变远”这件事,是不会受到像蚂蚁在气球上爬那样的速度限制的,真正受到限制的,是蚂蚁在气球表面上移动的速度,而不是气球本身膨胀的那个速度。
至于宇宙到底是靠什么机制在膨胀,说实话我们目前还搞不太清楚。不过可以确定的是,这背后应该跟一种叫做“暗能量”的神秘东西有关,但目前为止,观测到的宇宙膨胀力还没强大到能打败万有引力,所以我们不用担心银河或星系团会整个解体崩散。
可是,那些没有被引力这条“锚链”抓住的远方银河,却好像被什么东西拖着跑,用令人难以置信的速度离我们而去,但它们自己其实根本没动,这样的画面,其实很像河水流动时,枯叶被水冲走的样子,这也正是为什么我们今天还能“看见”这些正在远离的银河。
随着宇宙持续膨胀,这些银河发出的光花了几十亿年的时间,才终于传送到我们这里,我们现在所看到的那些光,其实是它们早在太阳诞生之前很久就释放出来的,而在那个位置,如今早就已经空无一物。
更重要的是,我们现在能看到这些银河的光,其实只是暂时的现象,因为这些银河现在发出的光,已经追不上空间的膨胀速度,从此将无法再传到我们这里来了,所以我们现在能看到的,只是当初它们还比较靠近我们时所发出的“最后一抹残光”。
那些光,是从数十亿年前出发,才终于抵达我们的眼前,而在这段漫长的旅程中,宇宙早就不断膨胀,银河早已被带到更遥远的地方,但这道光还是成功地撑到最后。
不过,那些银河“现在”所释放的光,已经来不及了,因为宇宙膨胀的速度早就远远超越了它们,如果膨胀持续下去,将来我们甚至可能再也看不到“本地银河群”以外的宇宙了。
而根据“宇宙大撕裂”理论,甚至有一天连我们这个银河群也会解体,到时候我们的视野中只会剩下自己的银河。