为什么信息与能量不能超越光速?爱因斯坦:超不了会因果颠倒

如果我扣动扳机,一颗子弹没有任何延迟,瞬间以两倍光速飞向你,那么你会先中弹,还是先看见我扣动扳机呢?答案:会先中弹后才看到我扣动扳机。

眼睛对外界接收信息需要依靠光,晚上灯一关,光没了,伸手不见五指,没有信息来源。判断先看到什么,就是在判断到底哪个信息先传到你的眼中。这个问题中信息A:我扣动扳机,信息B:子弹击中你。

正常情况下,子弹无法达到光速,因此A比B快,当A和B同时出发,A会先到达你眼中,也就是你看到我开枪了,然后你看到自己中弹了,这完全符合因果逻辑。

假如子弹速度为两倍光速时,子弹(B)会先到达,此刻我扣动扳机的信息(A)正好在传播的路程的中央,于是你会先看到子弹打中了你(B),随后看到我动扳机(A),你不觉得这很诡异吗?

子弹会飞出枪膛是因为我扣动了扳机,因此我们说A是因,B是果,然而当子弹的速度高于光速,AB颠倒了。

这样的问题可以套用到生活中的任意一件事上,例如:你还没有看到我出拳,先感觉到自己要飞出去了,博尔特还没起跑,发令枪没响,终点线的飘带动了,等等。

为什么会出现这样的现象,因为我们的眼睛受限于光吗?如果我们闭上眼睛,事情发生的顺序是一样的,与我们看与不看无关。

现实生活中无论如何都不会出现因果颠倒的问题,因为爱因斯坦认为光速是宇宙中信息、能量传输的最快速度,任何有质量的物体运动速度永远无法达到光速。

19世纪,麦克斯韦发表了《论电和磁》统一了电和磁,这是继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的物理界神作,使他站上了物理学的巅峰。被纳入其中的“麦克斯韦方程组”描述了变化的电场会自发地形成磁场,变化的磁场会自发地形成电场,电与磁相辅相成,只要电或磁出现,它们就会生生不息的一直传播下去。

在麦克斯韦方程中,电磁波波速与两个常数的乘积相关,即波速也是常数,约等于每秒30万公里,光是一种电磁波,因此引出来了光速恒定不变,而它又让爱因斯坦发现了更深层次的问题,于是发表《狭义相对论》,质能方程,《广义相对论》。

实际上,《狭义相对论》中的大部分公式的推导 最早来自于荷兰物理学家洛伦兹,而爱因斯坦只是那个打破旧框架的人。

在研究电磁学时,洛伦兹发现电磁波的速度与伽利略变换存在冲突。简单来说,小明以10m/s在马路上向东走,小美站在马路边静止不动,一束光由西射向东。正常情况下相较于小美,光在小明眼里应该慢一点,因为他与光同向行驶,然而光速不变原理的结论是光相对于小美与小明速度是一样的,因为它的速度是常数。

当时洛伦兹认为麦克斯韦不可能错,从牛顿时代开始,主流物理学家就试图通过假设存在一种介质(以太)来解释光的现象,即光在以太中传播,空间各处充斥着以太。

洛伦兹也是以太论的追随者,然而理论的冲突让他寝食难安,于是他基于光速不变性用微积分推导出了一套新的变换,试图拟合电磁理论、以太论、伽利略变换。

洛伦兹变换描述了质量与速度的关系(质增效应);高速运动的货车尺寸会比静止时短(尺缩效应);在静止的人看来,高速运动的时钟,会比自己的时钟走得慢(时间膨胀效应)。论文刚一发表,台下的人全懵了。洛伦兹回答,他自己推导出来时也懵,他也不知道本质是什么,但是迈克尔逊莫雷实验本以寻找以太为宗旨,最后反而发现“光不会顺势而增加,也不会逆势而减少”,而它的变换就是基于光的这个特性。

最终爱因斯坦捅破了这层从牛顿经典物理开始禁锢了200多年的窗户纸,直接说:光速是恒定的,光可以在真空中传播不需要依靠任何介质,结果就是洛伦兹变换得到的结论。

根据《狭义相对论》中的质速方程,我们可以得到以下速度曲线图,从中可以发现静止质量不为零的物体可以无限接近于光速,但永远不能达到光速。

由此我们知道,光速是宇宙中物质、能量、信息传播的最高速度,子弹的速度不可能超过光速。