《大众科学》最近的文章讨论了超光速旅行。但我一直认为爱因斯坦的相对论禁止这样做。这是怎么回事?

康涅狄格州立大学中心分校的物理学家托马斯·罗曼提供了以下回应

爱因斯坦的狭义相对论预言,没有任何东西可以超过光速。但狭义相对论适用于时空是平坦的情况。当时空弯曲时,该理论仅“局部”适用——即在足够小以至于可以被认为是平坦的时空区域内适用。考虑一下与球体相切的平面的类比。当平面的尺寸远小于球体的曲率半径时,平面的平坦几何形状是对球体几何形状的良好近似。

动画:肯尼斯·琼斯
超光速旅行, 如《星际迷航》等系列中所描绘的那样,是不可能的——除非可能在时空或阿库别瑞曲速泡内。


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在弯曲时空中,当我们比较两个相距遥远的观察者时,我们不能再使用“局部平坦”近似。在平面和球体的类比中,这种情况对应于比较球体上两个观察者,他们之间的距离与球体的曲率半径相当。尽管每个观察者都可以在其局部区域将几何形状近似为平面,但没有一个平面适用于两个观察者。因此,弯曲时空中的两个观察者都可以在各自的局部区域应用狭义相对论,但不能全局应用。

在膨胀的宇宙中也出现类似的情况。在这里,人们不应该认为星系在空间中移动,而应该认为星系之间的空间正在膨胀。爱因斯坦的广义相对论(这些模型的基础)对空间膨胀将星系推开的速度没有限制。但狭义相对论仍然在局部适用,即追逐光线的粒子永远无法赶上光线。一个类比是想象一下在橡胶片上爬行的虫子。通过拉伸橡胶片,我们可以使虫子以任意高的速度彼此远离,但没有虫子可以比光束更快地爬过橡胶片。

在关于“曲速引擎”的严肃提议中,例如阿库别瑞曲速泡,气泡内部的空间是平坦的,狭义相对论适用。在这个区域,相对于气泡内部的观察者而言,没有任何东西可以超光速旅行。在气泡外部,时空也是平坦的,相对于气泡外部的观察者而言,也没有任何粒子可以超光速旅行。但是,由于气泡壁中时空的大量膨胀和收缩,气泡内部可以相对于外部以超光速移动。气泡内部的光线也是如此;它们也会被时空扭曲带走。导致两个平坦时空区域不匹配的原因是分隔这些区域的气泡壁中存在很大的时空曲率。

剑桥大学的宇宙学家马丁·布歇补充了这一见解:

在爱因斯坦之前关于空间和时间本质的概念中,物体可以运动的速度原则上没有限制。但在爱因斯坦的狭义相对论中,如果任何类型的物质、能量或信号能够超光速传播,因果关系的概念——即过去完全决定未来——就会崩溃。

在爱因斯坦之前的框架中,时间具有绝对性。一个事件的时间——以及它的时间顺序——对所有观察者来说都是相同的;速度根据普通加法相加。对于非常小的速度(与光速相比很小),相对论中也是如此,但对于大速度,会发生显着的修改。20世纪初,迈克尔逊-莫雷实验确立了光速对于所有观察者来说都是相同的,无论他们的相对运动如何。因此,速度相加定律必须修改。两个物体的相对速度,一个以光速运动,另一个以亚光速运动,必须等于光速。当两者都以亚光速运动时,相对速度必须小于光速。

图片:SLIM FILMS
虫洞。 如果自然允许它们存在,虫洞将以球形开口的形式出现在宇宙中原本遥远的部分。这张经过处理的照片显示了时代广场的一个虫洞,它通向一个街区外的撒哈拉沙漠。

一个令人惊讶的后果是时间失去了它的绝对性。彼此相对运动的观察者感知到的时间不一致。但观察者总是对事件的顺序达成一致。如果我们承认超光速的可能性,一些观察者会认为一个事件发生在另一个事件之前,另一些观察者会认为它们同时发生,第三组观察者会认为顺序相反。只有当两个事件可以通过以小于或等于光速的速度传播的信号连接时,时间顺序才是不变的。

在膨胀宇宙的背景下,人们经常说,广阔空间中分隔很远的点以超过光速的速度彼此远离。乍一看,这似乎是不可能的。但膨胀的宇宙必须在爱因斯坦的广义相对论(狭义相对论的推广)的框架内考虑。在广义相对论中,相对于光速的运动是局部定义的。由于中间时空的膨胀,两个遥远点之间的距离可能以超过光速的速度增加。没有任何东西可以比光速更快地穿过空间,但空间本身可以超光速地将事物分开。

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