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為什麽快子可以超光速?

2013-01-26知識

(謝邀。)

相對論並不禁止超光速的存在,而只是禁止「超越」光速。 前者指的是速度大於光速的 狀態 ,後者指的是從亞光速加速至超光速的 過程

即所謂:亞光速的永遠亞光速,超光速的永遠超光速。

真實的普通物質都是亞光速的,所以通常才說光速是自然界速度的上限。

如果將快子一類物質也包括進來的話,則更普適的說法是: 「光速」是一種速度的「屏障」或者「壁壘」 ,即

  • 普通物質: 質素為實數(質素平方為正數),速度比光速低,且永遠不可 向上 超光速;
  • 快子類別物質: 質素為虛數(質素平方為負數),速度比光速快,且永遠不可 向下 亞光速。
  • 為了理解這一點,可以考慮怎麽加速一個物體。通常的做法是,增加一個物體的能量,對應這個物體就跑得越來越快。那麽來看,有沒有可能這樣不斷加速一個物體使其超光速。

    下圖展示了「相對論中」的 能量 速度 的關系:

    橫座標是「能量/靜止能量」的比值,縱座標是「速度/光速」的比值。

  • 光速 恒定為1,圖中紅色水平虛線。
  • 通常的物質 對應上圖中的藍線,亞光速(在紅線下面)。
    能量增加,速度也增加(符合常識)。
    但是隨著速度的提高(接近紅線),速度的增加越來越困難——想提高哪怕一點點速度,都需要註入大量能量。實際上,這條藍色曲線是 向上無限趨近 於紅線(光速)的。即,想要加速到光速,需要註入無窮多的能量。於是事實就是,無論註入多少能量,普通物質的速度都只能接近光速,而永遠不可 超越 光速。所以通常的物質永遠都是亞光速。
  • 快子類別物質 對應上圖中的綠線,超光速(在紅線上面)。
    能量增加,速度反而在減少。
    但是和普通物質(藍線)正好相反,快子類別物質速度的減小也是以光速為下限的。即,想要減速到光速,需要註入無窮多的能量。於是,快子類別物質的速度只能向下接近光速,而永遠不可向下越過光速變成亞光速。所以快子類別物質永遠都是超光速。
  • 光速作為一條漸近線,可視為亞光速/超光速之間的一種 屏障 壁壘
  • 最後需要指出, 快子只是理論上的假想物質,至今沒有任何實驗證據。