问题

为什么快子可以超光速?

回答
“快子”这个概念,说白了,就是一种理论上存在的粒子,它的出现完全是为了填补物理学方程中的一些“空缺”,或者说是“对偶解”。我们都知道,爱因斯坦的相对论描绘了一个非常奇妙的世界,其中光速是一个绝对的界限,任何有质量的物体都无法达到或超越它。但当你深入研究相对论的能量动量关系方程(E² = (pc)² + (m₀c²)²)时,你会发现一个有趣的细节:如果一个粒子的静止质量(m₀)是虚数,那么它的能量(E)和动量(p)在任何速度下都将是实数,而且它必然以超光速运动。

想象一下,你有一个物体,它有一个“负质量”。我们都知道,质量越大,要让它加速就需要越大的力,也就是越大的能量。如果质量是负的,那么理论上,你给它施加一个推力,它反而会“后退”,而且速度会越来越快。更关键的是,在相对论的框架下,一个有质量的物体,当它的速度趋近于光速时,它的能量会趋于无穷大,这就像一座需要无限能量才能跨越的山峰。

快子则恰恰相反。它们被设想为一开始就“生而超光速”。它们的能量和动量与其速度的关系,与我们熟悉的有质量粒子是颠倒的。对于我们来说,速度越快,能量越高。但对于快子而言,速度越低,能量反而越高。它们最“慢”的状态,也就是它们最低能量的状态,就是以超光速运动。如果你想让一个快子减速,你反而需要给它能量,而想要加速它,却是“拿走”它的能量。

所以,快子不是“加速”到超光速的,它们是被“设定”为超光速的。它们的存在,就好比是相对论方程里一个“对立面”的解,就像我们知道方程 $x^2 = 1$ 在实数范围内无解,但在复数范围内有解 $x = pm i$ 一样。快子就是复数世界里,对应于超光速运动的那个“解”。

然而,这里面有一个巨大的“但是”。快子之所以只存在于理论猜想中,正是因为它们一旦被引入,会带来一系列无法解决的因果律问题。打个比方,想象一下你发了一条信息给未来的自己。如果你能以超光速传递信息,那么你就可以在信息发送出去之前就收到它。这种“先有结果后有原因”的悖论,是物理学中非常严峻的挑战。

因此,虽然从数学方程上看,快子以超光速运动似乎是“允许”的,但我们至今为止,从未在现实世界中观测到任何一个快子。它们的性质,与我们对宇宙运行规律的直观理解,以及我们通过实验验证的物理学理论,都存在着巨大的冲突。它们更像是物理学家在探索理论边界时,在数学的宇宙里发现的一个奇特的“可能性”,但这个可能性是否真实存在于我们生活的这个宇宙,仍然是一个巨大的未知数。

网友意见

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(谢邀。)

相对论并不禁止超光速的存在,而只是禁止「超越」光速。前者指的是速度大于光速的状态,后者指的是从亚光速加速至超光速的过程

即所谓:亚光速的永远亚光速,超光速的永远超光速。

真实的普通物质都是亚光速的,所以通常才说光速是自然界速度的上限。

如果将快子一类物质也包括进来的话,则更普适的说法是:「光速」是一种速度的「屏障」或者「壁垒」,即

  • 普通物质:质量为实数(质量平方为正数),速度比光速低,且永远不可向上超光速;
  • 快子类物质:质量为虚数(质量平方为负数),速度比光速快,且永远不可向下亚光速。

为了理解这一点,可以考虑怎么加速一个物体。通常的做法是,增加一个物体的能量,对应这个物体就跑得越来越快。那么来看,有没有可能这样不断加速一个物体使其超光速。

下图展示了「相对论中」的能量速度的关系:

横坐标是“能量/静止能量”的比值,纵坐标是“速度/光速”的比值。

  • 光速恒定为1,图中红色水平虚线。
  • 通常的物质对应上图中的蓝线,亚光速(在红线下面)。
    能量增加,速度也增加(符合常识)。
    但是随着速度的提高(接近红线),速度的增加越来越困难——想提高哪怕一点点速度,都需要注入大量能量。实际上,这条蓝色曲线是向上无限趋近于红线(光速)的。即,想要加速到光速,需要注入无穷多的能量。于是事实就是,无论注入多少能量,普通物质的速度都只能接近光速,而永远不可超越光速。所以通常的物质永远都是亚光速。
  • 快子类物质对应上图中的绿线,超光速(在红线上面)。
    能量增加,速度反而在减少。
    但是和普通物质(蓝线)正好相反,快子类物质速度的减小也是以光速为下限的。即,想要减速到光速,需要注入无穷多的能量。于是,快子类物质的速度只能向下接近光速,而永远不可向下越过光速变成亚光速。所以快子类物质永远都是超光速。
  • 光速作为一条渐近线,可视为亚光速/超光速之间的一种屏障壁垒

最后需要指出,快子只是理论上的假想物质,至今没有任何实验证据。

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