突破光速限制？通信速度能否超越宇宙最快传播速率

我能超光速通讯吗？（高阶）

很棒的网站！我是一名刚从加州大学伯克利分校毕业的学生，主修数学和经济学双学位。不过我也很喜欢在课外阅读科学类话题，所以来到了这里。

我的问题是关于《"宇宙如何在暴胀期间以超光速膨胀？"》这个回答的。该回答由Kristine Spekkens撰写，其中提到信息无法以超光速传播。我不太确定"信息"具体指什么，但我构思了一个思想实验，似乎与这个超光速传播信息的论断存在矛盾。

假设我住在地球，有个朋友住在冥王星。如果我想给他发信息，可以通过无线电传送，但信息传输速度不会超过光速，需要几分钟才能到达冥王星。但假如现在我有一根长得不可思议的棍子，直接从地球延伸到冥王星。这时要给朋友发送信息，我只需要用棍子轻敲冥王星表面，用摩尔斯电码就能近乎即时地传递信息。这样我就实现了远超光速的信息传输。

这个实验存在什么问题吗？该如何解释这个现象？

可惜的是，你设想的通过敲击木棍与朋友交流的方式，其信息传递速度依然无法超越光速。当你敲击木棍时，"敲击动作"实质是以机械波的形式从你这一端传播到另一端。可以通过这个实验验证：找一位朋友，你们相隔数英尺拉住绳子两端并闭上眼睛。让朋友快速抖动他手中的绳端，你的任务是在感受到抖动时立即告知对方。当距离仅数英尺时，你们会感觉反应"瞬间同步"，因为绳波传播速度远超这个距离。但若换成足球场两端进行同样实验，绳波需要数秒才能传递到你手中，此时朋友抖动绳端与你的反应就会出现明显延迟。而当你把绳子替换成密度更大、刚性更强的材质时——就像你举例中的木棍——其物理本质并未改变。因此，从地球到木星的"敲击信号"必然存在时间延迟。那么这个机械波的极限传播速度是多少？答案正是光速！

我们可以尝试更加迂回的方式来实现超光速通信：假设你在冥王星上的朋友拥有一台极其灵敏的探测器，能够捕捉地球引力在冥王星造成的微小波动。为了与他通信，你研发出一种能改变两颗行星间距的技术。你的朋友通过冥王星上的仪器接收这种波动，而你则通过"摆动"地球形成某种摩尔斯电码。这样信息不就实现瞬时传递了吗？

事实证明，答案再次是否定的：引力同样以光速传播！尽管尚未被直接探测到，但去年十月一项利用类星体光线在木星周围弯曲的实验证实，传递物体周围引力场信息的引力波确实以光速传播（不过该结论仍存在争议，详见此帖子的解答）。

出于人们尚未完全理解的原因，光速似乎构成了物理学各领域的基本极限——从你敲击的棍棒材质到引力波皆然，即便在没有使用光进行通信的情况下亦是如此。这便是我在前文回答中使用"信息"这一术语的缘由，毕竟传递信息的方式远不止发送光信号这一种途径。

而且，让某种东西的运动速度超过光速并无妨害，只要你不通过它传递信息即可。最后一个例子：假设你身处座无虚席的足球场，观众们正在制造"人浪"。这种现象的形成机制是当你看见身旁的人起立时随即站起，使得波浪形动作能够环绕整个体育场持续传播。若以此种方式制造人浪，其环绕体育场的传播速度极限只能是光速，因为你必须根据邻座观众的动作提示（比如通过观察其起立时机，若起立耗时过长则可改为按钮提示）来决定自身动作，而这种提示信号的传递速度无法超越光速。但倘若体育场管理者希望打造一场真正震撼的表演，给每位观众发放标注精确起立时间的纸条。

理论上，此时人浪的传播速度可以无限提升，因为你可以任意设定观众的起立时间。通过这种精确的时间协调，你就能制造出超光速的人浪。这是否违背了物理学最基本的定律？答案是否定的——因为通过纸条预先告知每位观众起立时间所编排的人浪并不包含信息传递：你早已通过纸条将"何时起立"的信息提前告知了他们。极端情况下，你甚至可以要求所有人在纸条规定的时间同时起立：既然起立时间信息已提前告知，这种"无限快速"的人浪同样完全不会违背物理定律。而在依靠观察邻座动作的"真实"人浪中，"何时起立"的信息传递速度始终无法超越光速。

假设同一根"棍子"（地球与冥王星之间）被推拉（以摩尔斯电码方式）而非敲击...作为固体，难道整根"棍子"不会同时移动吗？显然棍子不会以光速移动，但（在我看来）发送/接收的信息却会以光速传递。

遗憾的是，你的想法依然无法突破光速限制！下次在泳池（或任何水域）时，可以站在离池边一两只远的位置用手"推"水——这个"推力"不会瞬间抵达池壁，而是需要一定时间传导。本质上，你的推动会在水中形成机械波，将推力传递至边缘。固体中的情形完全同理：虽然难以察觉，但你挥动木棍时，"推力"也是通过类似水波的应力波传递到另一端的，且材质越致密，波速越快。但根据现有物理认知，固体中的机械波速上限仍是光速。因此即便改用连续推拉代替敲击，信息传递速度依然无法超越光速屏障。

试图用长棍实现超光速通讯是个相当常见的想法，但这行不通。

BY: Kristine Spekkens

FY: 多糖小星星

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