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光速極限

關於超光速的話題還沒完,還要解決一些你心中的疑惑。愛因斯坦說的沒有物體的運動速度能夠超過光速,準確地說,是沒有能量和信息的傳遞速度能超過光速;如果失去了這個前提,那麼超光速的「東西」可就多了。比方說,你在地面上插一根棍子,用一支手電筒去照這根棍子,在棍子後面很遠很遠的地方(比如說在阿凡達居住的潘多拉星球上)放一個白板,理論上這根棍子的影子就會出現在這個白板上。這時候,你把手電筒輕輕轉一個角度,那麼遠在潘多拉星球的影子就會迅速移動,可以想像只要距離足夠長,這個移動速度絕對會超過光速。

這個想法有一個很酷的名字,叫作「暗影之疾」,它並不違反相對論。因為首先影子並不能儲存能量,所以這裡並沒有能量的傳遞。我們再來看看通過這個暗影之疾能不能傳遞信息呢?你可能想,如果我在棍子上用刻刀小心地刻一個空心字「喂」,由影子組成的這個「喂」,在潘多拉星球上不就能以超光速傳遞了嗎?我非常佩服你能想到這個點子,但是這個方法真的能讓潘多拉星球上的人超光速傳遞信息嗎?

【圖4-9】移動速度可以超過光速的影子

好,那麼就讓我們來設想在潘多拉星球上,男主角傑克站在白板的這頭,女主角奈特莉站在白板的那頭。現在傑克跟奈特莉在分手的時候約好,如果看到一個「3」的影子,表示我們3點開始進攻人類的基地;如果看到一個「4」的影子,就表示4點開始進攻。傑克在前方偵察完敵情,決定4點開始進攻,現在他要把這個信息傳遞給奈特莉,可麻煩的是,傑克必須先告訴遠在地球的我,趕緊把「4」的影子掃過去,傑克跟我之間的信息傳遞馬上碰到了光速極限問題,因此4點進攻的消息依然無法突破光速極限。

若取消能量和信息傳遞這個前提,要得到超光速還有更簡單的方法。比方說,你找一個晴朗的夏夜,站在滿天繁星下面,腳尖點地,來個輕巧的360度大旋轉。乖乖不得了,整個宇宙都在你的眼中轉了一圈,這宇宙的轉動速度何止光速,簡直神速!對不起,你可以認為這種神速是超光速運動,但這並未違反相對論,因為沒有實際的信息和能量在這個運動中傳遞。

總之,自從愛因斯坦得出了能量和信息的傳遞無法超過光速之後,有無數聰明人設計了各種各樣的思維實驗,經常有人宣稱自己成功地設計出了超光速信息傳遞的方案,可惜除了那種死不認賬的自戀狂外,所有的方案都經不起推敲。直到1982年,法國人阿斯派克特(Aspect)領導了一個實驗小組,成功地做了一個可能會在歷史上成為第二個MM實驗的特殊實驗,這個實驗的名稱叫作EPR實驗,實驗結果把相對論關於光速極限的推論逼到了牆角(注意我的用詞,我可沒有說證偽或者推翻)。特別有趣的是,這個實驗正是以愛因斯坦為首的三個科學家——E代表愛因斯坦、P代表波多爾斯基(Podolsky)、R代表羅森(Rosen)——提出的。最初只是一個思維實驗,愛因斯坦他們的目的,是為了嘲笑當時出生沒多久的量子理論有多荒謬。因為在這個思維實驗中,按照量子理論的說法,兩個基本粒子居然可以在相隔很遠的距離時,在光速都來不及跑完的時間內,互相知道對方的旋轉狀態(基本粒子就是一種比原子還要小千萬倍的某種粒子)。愛因斯坦和另外兩個科學家嘲笑道:「哈哈,看看,這有多荒謬,量子理論居然發明了超光速的信息傳遞。」這個思維實驗是1935年提出來的,當時的愛因斯坦早已經是物理學界的權威,但是當時的技術條件還無法實現這個EPR實驗。

時光飛轉,時隔47年之後,愛因斯坦都過世27年之後的1982年,科學家們的實驗條件終於具備,而實驗結果震驚了全世界!被愛因斯坦稱為荒謬的結論居然是事實,量子理論和相對論的矛盾徹底激化。EPR實驗到底有沒有違反相對論,這個話題引發了從物理學界到民間科學家曠日持久的熱烈討論,關於這個話題我們還將在第九章中詳細說到。但直到今天(2016年9月15日)為止,人類並沒有發現任何超光速運動,所有關於超光速的報告都被證實是錯誤的。因此,光速極限仍然是相對論的堅實基礎。