短答案:時間倒流在數學上是可以的。不過超光速等不等于時間倒流?同樣,數學上是可以的(負時間流逝)。換句話問:“因果”這個東西可不可以颠倒過來?物理解釋上來說,這是個好問題,但目前我們還不完全知道答案。或許可以。而且的确有科研組在研究這個問題。
(1)什麼是超光速?
這道題假設“如果超光速”,首先需要定義一下什麼是超光速。首先,平常我們說超光速不可以,其實少說了很多。例,宇宙膨脹本身就是超光速膨脹的,在量子力學裡面的量子糾纏可以算是一種理論上有可能超光速傳輸信息的方法,評論裡有人提到的電磁學裡的相速度也可以在某條件下超光速(雖然不能傳遞信息)。
所以,光在真空中的速度c為“速度上限”,應該說是一個有質量有信息的普通物質在普通時空裡,有相對論所定的,最快速度。相對論不能夠完全解釋快子(tachyon),更不能夠清楚地解釋一個普通物質在普通時空中假想性地超越光速。當然,很多的物理學家不相信這個假想在現實中是可能的。不過理論物理原本就是研究假想。既然問了這個問題,那我們就看看如果速度u超過了光速c,時間會不會倒流。
在狹義相對論裡,快子tachyon這個東西就是一個有質量有信息,而且是一直超光速的東西。它反而不能低于光速。不過它到底存不存在,這本身就是物理界裡的一大争議。前年從CERN(歐洲核子研究組織)報出來的比光更快的中微子一事以實驗失誤告終,不過當時有發表的無數的理論文獻中,有一個說到理論上對如果真的有一天觀看到超光速中微子是什麼的意義:有可能就是我們從未觀看到過的快子的一種。
結論(1):超光速是個數學上成立的假設,也是理論物理界裡的一個成立多年的好問題。不過問題針對的是:普通物質(有質量有信息)在普通時空裡的速度超過光速後會怎樣?
(2)數學上和現實上,如果超光速,時間會怎樣?
當速度u超過光速c的時候,答案是個虛數。不過這并不是一個完整的答案。
跟愛因斯坦同一代的托爾曼推出來的公式,也就是以上提到的公式的升華版,可以看出當速度u超過光速c的時候,時間流逝的其中一個解是負數。對公式有興趣的,可以看看Richard C. Tolman (1917) The theory of the relativity motion,59頁: Velocities greater than that of light。
那負時間流逝是什麼概念呢?在物理界裡有個概念叫反因果,retro-casuality。當然,我要聲明,不是所有的物理學家都相信這個,推導出公式的托爾曼他自己都認為負時間在現實中沒意義。不過在理論物理裡面,原本也就很少有所有人都認同的理論。
狹義相對論說,如果信息或物質的速度快過光速,那接收方可以在傳輸方發出之前接收到。我們且不說時空旅行或改變過去(這不是科幻小說,沒那麼精彩),如果我們可以在信息發送前,就已經收到我們将要發送出去的信息,那就違反了因果:反因果。而且目前的确有科研組在做這個實驗。
學術上把這個假想現象(回到過去)稱為:兩個事件(因,果)中的時空距離相似空間, 所以這兩個事件都在“未來”的光錐。換句話說,時間變得像空間一樣,我們可以過去。因此“果”有可能比“因”更早發生。一個人的”未來“的光錐或許就是回到他自己的過去。也就是把下圖裡的光錐前後(上下)折疊起來。曼徹斯特大學和CERN的布萊恩·考克斯就推理過這個假設。還有,因跟題目沒直接關系,所以就簡單提一下,除了超光速以外,用負能量或者蟲洞也是一個有可能折疊或穿越光錐的假設方法。
愛因斯坦也把超光速信息傳輸稱為快子電話,”可以給過去發電報“。不過他覺得這也導緻了因果關系的悖論。換句話說,愛因斯坦和他的相對論無法解釋這個因果關系的悖論。
結論(2):當物質超光速時,負時間流逝在數學上是可行。狹義相對論也說,當普通物質的速度超過光速時,它就破壞了因果。收信息(果)可以在發信息(因)之前發生。所以,超光速導緻反因果。
(3)反因果和時間流逝這個理論成立嗎?
在上面提到的反因果是愛因斯坦和很多科學家無法解釋也不認為可行的。不過如果我們走出相對論,看看其他偉大的物理學家,例1965年諾貝爾物理獎得主理查德 費曼Richard Feynman,支持反因果的物理理論是存在的。說到這裡,或許就有點離題了,因為我們不再是在讨論超光速而導緻的反因果。不過,如果其它原理導緻的反因果是一個成立的理論,那超光速而導緻的負時間流逝也不可被随意抛棄。
我簡單說一下費曼理論上的反因果。大家應該都聽說過反物質anti-matter。反物質是由反粒子構成的。裡面什麼都是相反的 。例,普通物質裡的電子是負電荷的,而反物質裡的是正電荷的(正電子)。當兩者相碰時,會導緻兩者的湮滅以及釋放出高能光子。
為什麼普通物質和反物質會互相湮滅?費曼的解釋非常地漂亮:它們并沒湮滅對方,其實它們原本就是同一物。打個比方:就像鏡子裡的你似的,什麼都和你相反,卻什麼數值都和你一樣,因為就是你。費曼解釋普通物質在正時間流逝方向的空間裡存在,反物質在負時間流逝方向的空間裡存在。我們所看到的湮滅,其實就是當普通物質在時間方向上轉了一個彎,相反時間方向行了(變成了反物質)。而我們所看到的大量高能光子就是在時空裡時間轉彎所需釋放出來的能量:在時空連續體裡創造一個裂口。
下面的費曼圖裡可以看到電子e-在我們所看到的湮滅點後,變成了正電子e ,然後以反時流遠離湮滅點。
所以我們到正時間方向下看到的反物質就是它”生命的倒帶“。普通物質的”生命結束“,就是它變成反物質的”生命開始“。它的正時間上的結束,就是它在反時間上的開始。因就是果,果就是因。。。越說越玄了。。。
反正費曼這個解釋就是,我們現在所有的普通物質,包括我們(說的是我們的原子,不是整個人),終有一天會變成反物質(也就是我們天真地認為的物質反物質相碰湮滅),然後沿着時間倒流往回走。
但是,普通物質超光速時,會像反物質一樣走負時間流逝嗎?快子跟普通物質和反物質的關系是什麼?普通物質超光速就是快子了嗎?這些問題是成立的問題,也是現有的科研方向,不過現在我們沒完全的答案。隻能說:有這個可能性,還需要更多的科研。而且在科學界本身就争議很多。
結論(3):理論物理上,的确有反因果和時間倒流這個概念存在。不過能不能用來解釋假想例子裡超光速所導緻的負時間倒流?可不可以用”非經典物理的方法”讓普通物質超光速(同時不違反相對論)?現在我們還不知道(不能确定也不能排除)。不過就算時間倒流和反因果可行,這并不代表你可以改變過去,或許隻能看到卻無力改變“命運”。
最後再加一句:有因必有果,有果必有因,不管是先因後果,還是先果後因,兩者皆可倒,兩者不可分。到此為止還算是在現成立的物理理論裡面推理的,剩下的就留給科幻小說家們去yy了。
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