网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

深度科普:大自然为什么不允许超光速出现?

0
分享至

“速度极限为光速”,这句话即使对于那些对相对论不甚了解的人来说,也并不陌生。它频繁出现在各种信息渠道中,以致于光速几乎成了相对论的代名词。也许是这种广泛的认知,激发了人们对突破这一速度限制的浓厚兴趣。



让我们来探讨几个与超光速相关的问题:

①譬如,如果我边跑边用手电筒照亮前方,那光束的速度岂不是超出了光速?(超过每秒30万公里)

②想象一根无限长的杆子,我们让它绕一端旋转,那么另一端的速度岂不是趋于无穷大?这显然超出了光速。

③还是这根无限长的杆子,我若在一端施力,那另一端会立即响应,这样似乎就能通过这种方式传递信息,那么信息传递速度岂不是超越了光速?

诸如此类的问题还有很多,这里不一一赘述。



综合来看,这些疑问往往产生于对相对论缺乏深入了解的情境中,或者这些人只是接触了些许理论表述,并未进行过数学推导,从而导致了这些疑惑的频现。

实际上,针对这些疑问,我们可以分为两大类来解答:

第一类:借助狭义相对论的若干推论(例如质量增加、速度叠加公式等)来阐释和反驳。

以质量增加为例,对一个观察者来说,如果物体速度逐渐逼近光速,那么其质量会趋向无穷大,进一步加速则变得不可能(理论上使用能量变为虚数的观点更为严密,本文稍后将提及)。

第二类:告知他们,现实世界中不存在所谓的绝对刚体,一根无限长的杆子在受力时必然会发生形变,传递这一过程的速度是有限的,实际上就是固体内部的声速,应力波传递信息,除非是刚体,否则不可能超过光速。



但今日我们要探讨的是,光速为何不能被超越的一个深层次原因——因果律。这种解释并不常见,因为大多数时候,上述几种解释已经足够驳斥超光速现象。

然而,在上述的几种解释中,有一点往往被忽略,那就是大多数关于超光速现象的物体,都经历过一个加速过程,也就是说,这些物体最初的速度并不超过光速,而是试图通过加速来达到超光速。

这类加速过程的缺陷在于,根据之前的第一个解答,加速过程需要无限多的能量,因此不可行。(注:尽管这种解释看似合理,但关于物体质量增加这一点(即动质量),目前已不采用此说法,故应以能量观点(即质能方程,不涉及动质量的形式)来理解,当物体速度达到或超过光速时,其能量会变得没有意义或为虚数)。



这样的讨论使我们陷入了加速过程的讨论中,很少注意到另一种可能性——如果物体一开始就以超过光速的速度运动会如何?

正如光子天生以光速移动一样,如果宇宙中存在天生速度就超过光速的物质,我们又该如何解释呢?实际上,上世纪有科学家提出了相应的理论——“快子理论”,认为可能存在天生速度超过光速的物质,即快子。快子有一个最低速度限制,不能低于光速(正如普通物质不能超过光速一样)。

但即便不考虑加速过程,天生速度超过光速的快子也同样不能违背因果律。

于是,我们便引入了今天的主题——因果律。



因果律作为一条古老的原则,它可以被视作一个基本常识——有因才有果。在这个世界上,似乎无人会质疑这一原则的正确性。

例如,你将一颗苹果树的种子种在土里,经过一段时间后长出苹果树。这一过程的顺序是先播种后结果,你能想象先结果再播种的情况吗?

再如,每个人都是先出生后去世,你能想象一个人先去世再出生吗?这便是因果律,而违背因果律的情形,显然是不能被接受的,这一点应当无人质疑。

但因果律与超光速现象之间有何联系呢?

首先,我们需要了解相对论中对事件的定义,事件被定义为一个时空点(由空间中一点和某一时刻构成)。例如,上述例子中的播种事件(事件A)和苹果树的长成(事件B)是前后相继的因果事件,且事件B的发生时间必然晚于事件A,即事件B与事件A之间的时间差必须大于零。



然而在狭义相对论中,时间并非对所有参考系都相同,不同参考系对同一事件的感知是不同的。例如,在你的参考系中,事件A发生在时刻a,事件B发生在时刻b,而在另一个人的参考系中,事件A仍在时刻a发生,但事件B却可能在时刻c发生。

因果律在所有参考系中都必须成立,结合之前的内容,将上述文字转换为数学表达式为:b-a>0,c-a>0,即只要上述数学式成立,因果律就没有被破坏。

而超光速现象与这一数学式有何联系?

让我们再简单介绍一个概念——世界线。

世界线是狭义相对论几何化的产物,其使用几何语言来阐释相对论,更能彰显其本质,世界线被定义为物体自身事件的集合,如下图所示。



图中横轴代表空间,纵轴代表时间(此图为时空图),物体在任何时刻的空间位置都可以用时空点来表示,因此一条连续的曲线即表示物体的世界线。物体的世界线有三种:类时线、类光线和类空线,分别表示速度小于光速、速度等于光速和速度大于光速的物体的世界线。

有了这些知识,我们便能将问题归结为:类空线与数学式b-a>0,c-a>0之间有何联系?

由于类空线和数学式b-a>0,c-a>0都可以转化为一个概念——时空间隔,那么什么是时空间隔呢?

简单来说,在欧氏几何中,一段极短的线段长度如何表示?答案是长度的平方等于(x²+y²)(其中x、y分别代表坐标轴方向上的极小长度,微积分表达为ds、dy),时空图中长度的定义与此类似(区别在于时间),被称为时空间隔。

回到问题,我们知道类空线的时空间隔大于零,而数学式b-a>0,c-a>0通过洛伦兹变换可转化为时空间隔,其值小于或等于零。



因此,可以得出结论:若时空间隔小于或等于零,则因果律成立;若时空间隔大于零,则因果律不成立,且判断标准是超光速。

再考虑到我们始终坚信因果律在任何情况下都必须成立,因此超光速现象必须被禁止(即不存在类空的世界线)。

综上,超光速现象不存在的真正原因是因果律不容许超光速的存在。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
李在明要求乌克兰道歉,遭国民痛斥

李在明要求乌克兰道歉,遭国民痛斥

难得君
2026-10-03 18:51:13
四川巴中一新娘在婚礼前一天,开窗准备收袜子时不幸被马蜂蜇伤嘴唇,唇部明显肿胀,自嘲仿佛“蛤蟆精”

四川巴中一新娘在婚礼前一天,开窗准备收袜子时不幸被马蜂蜇伤嘴唇,唇部明显肿胀,自嘲仿佛“蛤蟆精”

潇湘晨报
2026-10-03 14:52:08
重磅消息!俄大选结果揭晓,拉夫罗夫完美谢幕,梅德韦杰夫落败!

重磅消息!俄大选结果揭晓,拉夫罗夫完美谢幕,梅德韦杰夫落败!

历史的烟火
2026-10-04 04:34:36
晚年毛主席原谅了很多人,为何唯独不原谅潘汉年?主席对他寒了心

晚年毛主席原谅了很多人,为何唯独不原谅潘汉年?主席对他寒了心

温读
2025-03-13 18:28:10
U23国足亚运摘铜!乌兹别克斯坦主帅赛后竟然这么说, 彻底破防!

U23国足亚运摘铜!乌兹别克斯坦主帅赛后竟然这么说, 彻底破防!

田先生篮球
2026-10-03 19:17:09
东航再通报“空姐跪地道歉”事件:旅客欧某某相关行为严重侵害员工人格尊严,已报案,公司已暂停为欧某某提供承运服务

东航再通报“空姐跪地道歉”事件:旅客欧某某相关行为严重侵害员工人格尊严,已报案,公司已暂停为欧某某提供承运服务

闪电新闻
2026-10-03 19:08:54
季前揭幕战-字母哥首秀9+7!热火24分大胜猛龙 小卡缺席克莱0分

季前揭幕战-字母哥首秀9+7!热火24分大胜猛龙 小卡缺席克莱0分

醉卧浮生
2026-10-04 09:36:02
安东尼奥8.5分!国足亚运队评分:李昊10分 张玉宁第三!0人不及格

安东尼奥8.5分!国足亚运队评分:李昊10分 张玉宁第三!0人不及格

刀锋体育
2026-10-04 06:48:33
7-0,劳塔罗扛起锋线,梅西退出后,阿根廷2连胜轰11球0丢球

7-0,劳塔罗扛起锋线,梅西退出后,阿根廷2连胜轰11球0丢球

侧身凌空斩
2026-10-04 10:00:23
头号种子爆冷出局!莱巴金娜1-2查拉耶娃,无缘中网女单32强

头号种子爆冷出局!莱巴金娜1-2查拉耶娃,无缘中网女单32强

懂球帝
2026-10-03 23:35:44
第四轮投票落定!中国干脆一不做二不休,把一票否决,堵在美心口

第四轮投票落定!中国干脆一不做二不休,把一票否决,堵在美心口

凡知
2026-10-03 14:24:48
恭喜!前TVB好身材女星认爱22岁德国机师,曾传因过分性感遭前夫家嫌弃致离婚

恭喜!前TVB好身材女星认爱22岁德国机师,曾传因过分性感遭前夫家嫌弃致离婚

TVB资讯台
2026-10-03 21:11:37
张雪:把足球赛权限给商业队会不会比现在好点,反正不会更差

张雪:把足球赛权限给商业队会不会比现在好点,反正不会更差

懂球帝
2026-10-04 09:41:24
中国男排0-3不敌巴基斯坦,无缘亚运会男子排球铜牌

中国男排0-3不敌巴基斯坦,无缘亚运会男子排球铜牌

懂球帝
2026-10-03 16:29:07
杨议也没料到,被他嘲讽了两个多月的郭德纲,如今仍是一呼百应

杨议也没料到,被他嘲讽了两个多月的郭德纲,如今仍是一呼百应

林轻吟
2026-10-04 09:35:19
国足烂摊子没人敢接!安东尼奥婉拒帅位,1句话让足协死心

国足烂摊子没人敢接!安东尼奥婉拒帅位,1句话让足协死心

曹老师评球
2026-10-03 21:18:23
新华社评“中国男足0:5惨败”:令人震惊,战意不浓、作风松懈,抑或把比赛当成“例行公事”,不仅是对球迷的辜负,更是对国脚身份的亵渎

新华社评“中国男足0:5惨败”:令人震惊,战意不浓、作风松懈,抑或把比赛当成“例行公事”,不仅是对球迷的辜负,更是对国脚身份的亵渎

政知新媒体
2026-10-03 14:01:09
湖南卫视押注《云雀叫天录》失败,张一山猴感太重成限制发展障碍

湖南卫视押注《云雀叫天录》失败,张一山猴感太重成限制发展障碍

李守智
2026-10-03 13:08:02
林昀儒把事闹大了!正式申诉状告林诗栋,张本智和也吃过这个亏

林昀儒把事闹大了!正式申诉状告林诗栋,张本智和也吃过这个亏

青橘罐头
2026-10-03 21:57:31
任天堂Wii开机6年没关过!网友惊叹:从没停电更离谱

任天堂Wii开机6年没关过!网友惊叹:从没停电更离谱

游民星空
2026-10-03 18:32:23
2026-10-04 11:43:00
宇宙时空 incentive-icons
宇宙时空
热衷于宇宙和时空探索
15051文章数 97332关注度
往期回顾 全部

头条要闻

牛弹琴:中国的两个邻国又开枪两人被打死 形势很严峻

头条要闻

牛弹琴:中国的两个邻国又开枪两人被打死 形势很严峻

体育要闻

“小将”吴曦,中国的莫德里奇

娱乐要闻

杨议没料到,郭德纲如今仍是一呼百应

财经要闻

OpenAI前安全部门员工:公司文化已崩坏

科技要闻

苹果确认:iPhone 18 Pro Max有问题

汽车要闻

方程豹9月热销破4万 首款皮卡鲨鱼将于四季度上市

态度原创

艺术
数码
亲子
时尚
教育

艺术要闻

常玉的油画草原五马,2042万港元!

数码要闻

英伟达RTX 5070 Ti显存狂超+5500MHz:带宽突破1248 GB/s,游戏实测仅提升5帧

亲子要闻

成绩出来了……分享给大家

今年秋天的上衣,太上头了!

教育要闻

用5个3组成最大的数字是多少?真难啊

无障碍浏览 进入关怀版