深层探索：为什么快子可以超光速？

要谈超光速，必须谈相对论。要谈相对论，必上双曲图（光速c=1，双曲线的渐近线就是光路）：

上图是变换参照系时，时空矢量的变化图，横轴表示时间，纵轴表示空间。

考虑如下一个物理过程：以地面做参照系，我花1秒的时间走了1米。

现在变换到我自身的参照系，时间与空间的变换方式在图中用蓝色矢量表示。明显，对于地面来说的1米，对于我是0米，而对于地面来说的1秒，对于我是小于1秒的。

黄色矢量是光的变换，从地面参照系变换到我自身参照系，光的斜率保持不变，这对应的是光速的不变性。

红色矢量就是快子的变换图了。对于地面来说沿着时间跟空间都往前走的一个快子，变换到我自身的参照系之后，变成了只沿空间运动，在时间中静止得了。

这里可以很直观地看出，由于时空沿着双曲线进行变换，低光速物体是很难超过光速的，而超光速物体也很难低于光速。所以，倒不是快子为什么可以超光速，而是超光速的一类粒子统一称之为快子。

回到未来在物理上是容易实现的：时间取决于你运行路线的时空长度，要想回到未来，只要让这个长度尽量小就可以了（极限情况，以光速运动，长度为0）。

本文要谈的是，在物理上，可以回到过去吗？

十几年前，当我在纸上画下双曲图的时候，我就发现一个几何上很明显的结果，那就是低光速的世界与超光速的世界，是关于x=t这条直线对称的。一个自然的结论，如果有人从物理上推导出超光速的世界不符合物理学，那把x=t视为一面镜子，我必定可以对称地推导出低光速的世界也是不符合物理学的。所以，市面上很多否定超光速的物理理论，我即便看不懂，从数学上也可以肯定里边是有问题的，下边将针对几种常见的理论详细说明下。

1、“快子的质量是虚数，所以超光速粒子不存在”。

先说句让人听了很不舒服的话，上边这个物理论断，让我怀疑物理学家的数学水平接近于白痴。为什么会有这种感觉？

我在地面上走1米，从物理上度量这个过程时，用终点减去起始点还是用起始点减去终点，有物理上的区别吗？区别无非是，数学上，一个正数，一个负数，但总不能说正数有物理意义，负数就没有物理意义吧？

在低光速的世界里，质量，能量，动量有如下一个关系式：

其中能量E大于动量P，所以质量永远是正数。

对于光速运动物体，E=P，质量为0。

对于超光速运动物体，因为能量E小于动量P，所以硬套公式的话，质量会变为虚数，上边那个物理论断即来源于此。

但这个物理论断有2个问题：

1）是用能量动量来定义质量，还是用质量来定义能量动量，这里边是有很多说道的，硬套一个死的公式，而不明白背后的物理本源，这是推导不出有意义的物理结论的。

2）实数，虚数，正数，负数，这些其实都是数学的事，跟物理有什么关系？就像前边说的，用终点减去起点跟用起点减去终点，只有数学上的区别，物理上没有任何妨碍。即便采用从能量，动量出发来定义质量的方式，那为什么不用动量减去能量，非要用能量减去动量呢？有点数学常识的话，很容易知道，怎么定义都无所谓，数学上都是等价的。但这样一来，超光速的质量变成了实数，低光速的质量变成了虚数，总不能因为这个就判定低光速世界不存在吧？包括爱因斯坦在内，很多物理学家都搞不清楚数学跟物理学的界限，爱因斯坦当年曾经轰动世界的动质量跟质能方程，纯粹就一小学生的数学游戏，没有半点物理学的意义。

2、“快子奇怪的物理特性”

“在“慢宇宙”中静止的物体能量为零，一旦它获得能量，便会运动得越来越快，能量无限大时就能以光速运动。但在“快宇宙”中，如果物体的能量为零，它是以无限大速度运动的，一旦被赋予能量就会慢下来，能量无限大的时候将降低到光速。这实在是相当匪夷所思。”

前边提到，超光速世界跟低光速世界是关于x=t对称的，所以上边提到的匪夷所思的物理结论，从对称性的角度看，是显然的。

但这里最主要的，是关于物体运动快慢这个物理概念。绝大多数学习物理的人都没意识到，运动快慢并不是一个有物理学意义的东西。什么意思呢，你在时空中画一条曲线作为粒子的运动路径，你画得快也好，画得慢也好，物理事实都是一样的，都是在某一个时间点，粒子运动到了某个空间点，所以时空中，是没有运动快慢一说的。学习近代物理，忘记物体运动快慢这个概念，总是好的，只要关心物体在时空中如何运动，就不会有庄小哥匪夷所思的那种感觉了。

3、“超光速引发时间倒流，违反因果律”

相比于前边2个理由，这个总算是有点靠谱了。这点需要分成2部分来分别考虑。

1）很多人没有分清楚时间倒流跟时空倒流的区别。在牛顿的绝对时间体系中，这2点基本不需要区分，但到了狭义相对论的体系，这2点是有本质上的区别的。

我现在回到我出生的那家医院，会对我的出生造成影响吗？显然不会（留个坑）。原因是连3岁小孩子都知道的，我只是回到了我出生的那个空间点，并没有回到我出生的时间点，自然不会对我的出生造成影响，更何况，只要换个参照系，我甚至连空间点都没回去。

同样的道理，在超光速的世界里，虽然回到过去的时间是容易的（不需要复杂的物理说明，从数学对称的角度就能看出，这个结论是明显的，因为超光速的时间类似于低光速的空间，超光速的空间类似于低光速的时间），但要想违反因果律，必须回到过去的时间+空间才可以，这是2个变量，只回到过去的时间没用的。

上边的讨论只针对二维时空，在二维时空中，超光速世界的空间方向是不能反转的，所以维持了因果律。

2）更高级一些的理由，是说在四维时空中，三个空间维度是可以通过旋转变换来变换方向的，这样，超光速的情况下，时间跟空间的方向都可以反转，这样也就违反因果律了。

解决这个疑问有2套方案，假设低光速的时间是t，空间是x、y、z。

a、第一套方案是把空间的某一个维度作为快子的时间维度，原本的时间维度跟剩余的2个空间维度组成快子新的空间维度。如此，只要有一个维度的坐标不能反转，因果律就不会出任何问题。这套方案的问题是，如果时空是四维的，那么光速的不变性就无法保证了。但，我这里之所以把这套方案放在这里，是想着，四维是错误的物理理论，在高维时也许是行得通的。

b、第二套方案是把三维空间整个作为快子的时间，如同慢世界里时间在不停地增长保证了因果律，快子世界的空间距离也在不停地增长（快子无法做圆周运动，只能做半径不断扩大的螺旋运动），这样快子世界的因果律问题也可以规避。这套方案也有个问题，空间距离没法变成负值，这点跟慢子世界的图像有些不一样。（但是概率都能变成复数，空间负值问题似乎也不是问题了）

不管如何，所谓的违反因果律，用数学语言来说，无非是一个物体在时空中的运动曲线出现了闭环或者说时空曲线出现了交叉点。这样，在交叉点所在的时空中，到底发生了什么物理事实，就说不清楚了。可，交叉点并不是超光速带来的，在纯粹低光速的世界里，我在数学上也可以画出交叉的时空曲线，但低光速的世界是如何规避时空曲线交叉的？

我说不清楚，但可以肯定的是，低光速世界既然可以避免时空曲线交叉，超光速世界又有什么原因不能避免呢？总之，因果律并不能作为否定超光速存在的理由。

上边谈了市面上流行的几种否定超光速存在的理由，都不充分。从数学对称的角度，要想否定超光速的存在，只讨论超光速是没用的，必须证明超光速与低光速同时存在会导致物理上的矛盾才行，但现在看不到有说服力的论证。

哲学上如何来认知时空，这超出了我的能力范围，但数学跟物理上，时空概念并不复杂。下边要讨论的一个问题是，如何判定一个时空区域，是已经发生了一些物理事实（从而不管我现在做什么，这个时空区域发生的事都不会改变了），还是还没发生物理事实？（从而，我理论上可以做一些事，来改变这个时空区域发生的事）

有个类比，时空就如同一张白色的画布，已经发生的事情是画布上已经做过的画，尚未发生的事情是画布上依然留白的地方，这部分后边会画上什么东西还处在不确定之中。

在牛顿时代，上边的问题是容易判定的，时空平面上画一条竖直的时间线（时间是横坐标），时间线左边表示已经完成的画作，后续无法再更改了，时间线右边表示尚未完成的画作，后续会画上什么还有待时空的进一步演化发展。绝大多数人的时空观念都停留在这个时空图景中，也正因此，当超光速可以回到过去的时间时，人们自然会联想到超光速会违反因果律。

但狭义相对论打破了这种图景。

我现在站在原点（0,0）处，在上图左边阴影部分有一只鹰在天上飞，现在问：我可以射出一支箭来影响鹰在阴影部分的运动吗？

按照牛顿时代遗留下来的思维习惯，人们会说，阴影部分处于过去的时间，你是不可能射出一支飞往过去的箭的，所以你无法影响阴影部分的时空。

但变换一下参照系，阴影部分是可以变到右边那个区域的，这时候，阴影部分处于未来，按照牛顿时代遗留的思维，我又可以射出一支箭来影响阴影部分时空。

互相矛盾的因果结论，问题出在哪呢？人们需要变换下自己的思维模式了。（有很大一部分物理学家不想变换老的思维模式，最后，他们给出的方案是禁止超光速存在就好了。）

时空画布上，不要再以时间线来分割已完成的画作跟未完成的画作了，狭义相对论中，我个人觉得以x=-t这条线来分割过去未来是最合适的（二维时可以这么考虑，四维时再说）。

二维时空中，x=t跟x=-t两条渐近线将时空平面分割为上下左右四个部分，左右是低光速的世界，左边表示过去，是已经发生的事，不能再改变了，右边表示未来，是有待发生的事。上下是超光速的世界，下边表示过去，是已经发生的事，不能再改变了，上边表示未来，是有待发生的事。

也就是说，过去未来不再是牛顿时代，单纯地以时间作为分割线，而是以x=-t来分割。

量子力学是很毁人三观的。

上边的所有讨论，都基于如下2点：

1、过去影响未来（决定了因果的方向）。

2、一个时空点只能对应一个物理事件（也就是时空中的运动不能出现交叉点）。

但还是爱因斯坦，提出了一个叫EPR佯谬的东西，他说过去的时空中到底发生了什么事情，是可以由现在的行为来决定的。量子力学中还有一个惠勒延迟实验，说的也是同样的事情。什么意思呢？我在公元2016年喊了一下李隆基，一千多年前的唐明皇就在龙椅上打了个喷嚏。现在大热的量子计算机，量子卫星，量子通信这些东西，可都是基于这样一个毁人三观的量子力学原理。

用时空画布来做类比，有人在时空画布上隔离了一个区域，类似管道那样的，这条管道连接了过去跟未来，但在这个管道区域中，过去的部分依然是空白的没有做过画的。直到有一天，未来的某个时空点发生了一些事，整个空白的管道区域才开始做上画，也只有到了未来的这个时空点，我们才可以在语言上谈论，过去到底发生过什么事。

在量子力学中，基本粒子分成了2类，费米子跟玻色子，区别是，不同的费米子不允许占据相同的状态（记得前边提过的，低光速世界有物理定律来限制时空中不能出现交叉的时空线吗？费米子的这个性质差不多可以来保证这点，一个人站在地面上不会陷进去，可以视为地面的电子已经占据了时空位置了，人的电子就只能保持距离，从而物理上隔离了人跟地面。），玻色子是尽量占据相同的状态，而且不同的玻色子很多时候从物理上是不能进行区分的，而且这种不能区分是物理上的严格地不能区分，而不仅仅是技术上达不到区分的水平。

所以，本文赖以讨论的2个基础，在量子力学面前，一推就倒，时空的面纱还有待未来的物理学家来揭开。