通俗硬核科普：超光速可以引起時間倒流嗎？-環(huán)球聚看點(diǎn)

短答案：時間倒流在數(shù)學(xué)上是可以的。不過超光速等不等于時間倒流？同樣，數(shù)學(xué)上是可以的（負(fù)時間流逝）。換句話問：“因果”這個東西可不可以顛倒過來？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。而且的確有科研組在研究這個問題。

【資料圖】

（1）什么是超光速？

這道題假設(shè)“如果超光速”，首先需要定義一下什么是超光速。首先，平常我們說超光速不可以，其實(shí)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(xué)里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，評論里有人提到的電磁學(xué)里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(yīng)該說是一個有質(zhì)量有信息的普通物質(zhì)在普通時空里，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(zhì)在普通時空中假想性地超越光速。當(dāng)然，很多的物理學(xué)家不相信這個假想在現(xiàn)實(shí)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。

在狹義相對論里，快子tachyon這個東西就是一個有質(zhì)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，這本身就是物理界里的一大爭議。前年從CERN（歐洲核子研究組織）報(bào)出來的比光更快的中微子一事以實(shí)驗(yàn)失誤告終，不過當(dāng)時有發(fā)表的無數(shù)的理論文獻(xiàn)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么的意義：有可能就是我們從未觀看到過的快子的一種。

結(jié)論（1）：超光速是個數(shù)學(xué)上成立的假設(shè)，也是理論物理界里的一個成立多年的好問題。不過問題針對的是：普通物質(zhì)（有質(zhì)量有信息）在普通時空里的速度超過光速后會怎樣？

（2）數(shù)學(xué)上和現(xiàn)實(shí)上，如果超光速，時間會怎樣？

當(dāng)速度u超過光速c的時候，答案是個虛數(shù)。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(dāng)速度u超過光速c的時候，時間流逝的其中一個解是負(fù)數(shù)。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(fù)時間流逝是什么概念呢？在物理界里有個概念叫反因果，retro-casuality。當(dāng)然，我要聲明，不是所有的物理學(xué)家都相信這個，推導(dǎo)出公式的托爾曼他自己都認(rèn)為負(fù)時間在現(xiàn)實(shí)中沒意義。不過在理論物理里面，原本也就很少有所有人都認(rèn)同的理論。

狹義相對論說，如果信息或物質(zhì)的速度快過光速，那接收方可以在傳輸方發(fā)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，沒那么精彩），如果我們可以在信息發(fā)送前，就已經(jīng)收到我們將要發(fā)送出去的信息，那就違反了因果：反因果。而且目前的確有科研組在做這個實(shí)驗(yàn)。

學(xué)術(shù)上把這個假想現(xiàn)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(fā)生。一個人的”未來“的光錐或許就是回到他自己的過去。也就是把下圖里的光錐前后（上下）折疊起來。曼徹斯特大學(xué)和CERN的布萊恩·考克斯就推理過這個假設(shè)。還有，因跟題目沒直接關(guān)系，所以就簡單提一下，除了超光速以外，用負(fù)能量或者蟲洞也是一個有可能折疊或穿越光錐的假設(shè)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(fā)電報(bào)“。不過他覺得這也導(dǎo)致了因果關(guān)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(guān)系的悖論。

結(jié)論（2）：當(dāng)物質(zhì)超光速時，負(fù)時間流逝在數(shù)學(xué)上是可行。狹義相對論也說，當(dāng)普通物質(zhì)的速度超過光速時，它就破壞了因果。收信息（果）可以在發(fā)信息（因）之前發(fā)生。所以，超光速導(dǎo)致反因果。

（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(xué)家無法解釋也不認(rèn)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(xué)家，例1965年諾貝爾物理獎得主理查德 費(fèi)曼Richard Feynman，支持反因果的物理理論是存在的。說到這里，或許就有點(diǎn)離題了，因?yàn)槲覀儾辉偈窃谟懻摮馑俣鴮?dǎo)致的反因果。不過，如果其它原理導(dǎo)致的反因果是一個成立的理論，那超光速而導(dǎo)致的負(fù)時間流逝也不可被隨意拋棄。

我簡單說一下費(fèi)曼理論上的反因果。大家應(yīng)該都聽說過反物質(zhì)anti-matter。反物質(zhì)是由反粒子構(gòu)成的。里面什么都是相反的 。例，普通物質(zhì)里的電子是負(fù)電荷的，而反物質(zhì)里的是正電荷的（正電子）。當(dāng)兩者相碰時，會導(dǎo)致兩者的湮滅以及釋放出高能光子。

為什么普通物質(zhì)和反物質(zhì)會互相湮滅？費(fèi)曼的解釋非常地漂亮：它們并沒湮滅對方，其實(shí)它們原本就是同一物。打個比方：就像鏡子里的你似的，什么都和你相反，卻什么數(shù)值都和你一樣，因?yàn)榫褪悄恪ＹM(fèi)曼解釋普通物質(zhì)在正時間流逝方向的空間里存在，反物質(zhì)在負(fù)時間流逝方向的空間里存在。我們所看到的湮滅，其實(shí)就是當(dāng)普通物質(zhì)在時間方向上轉(zhuǎn)了一個彎，相反時間方向行了（變成了反物質(zhì)）。而我們所看到的大量高能光子就是在時空里時間轉(zhuǎn)彎所需釋放出來的能量：在時空連續(xù)體里創(chuàng)造一個裂口。

下面的費(fèi)曼圖里可以看到電子e-在我們所看到的湮滅點(diǎn)后，變成了正電子e+，然后以反時流遠(yuǎn)離湮滅點(diǎn)。

所以我們到正時間方向下看到的反物質(zhì)就是它”生命的倒帶“。普通物質(zhì)的”生命結(jié)束“，就是它變成反物質(zhì)的”生命開始“。它的正時間上的結(jié)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(fèi)曼這個解釋就是，我們現(xiàn)在所有的普通物質(zhì)，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(zhì)（也就是我們天真地認(rèn)為的物質(zhì)反物質(zhì)相碰湮滅），然后沿著時間倒流往回走。

但是，普通物質(zhì)超光速時，會像反物質(zhì)一樣走負(fù)時間流逝嗎？快子跟普通物質(zhì)和反物質(zhì)的關(guān)系是什么？普通物質(zhì)超光速就是快子了嗎？這些問題是成立的問題，也是現(xiàn)有的科研方向，不過現(xiàn)在我們沒完全的答案。只能說：有這個可能性，還需要更多的科研。而且在科學(xué)界本身就爭議很多。

結(jié)論（3）：理論物理上，的確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里超光速所導(dǎo)致的負(fù)時間倒流？可不可以用”非經(jīng)典物理的方法”讓普通物質(zhì)超光速（同時不違反相對論）？現(xiàn)在我們還不知道（不能確定也不能排除）。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，或許只能看到卻無力改變“命運(yùn)”。

最后再加一句：有因必有果，有果必有因，不管是先因后果，還是先果后因，兩者皆可倒，兩者不可分。到此為止還算是在現(xiàn)成立的物理理論里面推理的，剩下的就留給科幻小說家們?nèi)y了。

標(biāo)簽：