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为什么快子可以超光速?

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QUE:

今天看到一条消息说快子的速度比光速快,但是只要它一直比光速快也不违反相对论,这是什么意思?印象里相对论以光速不变且不可超越为前提,得出信息的传播速度不可能比光速快这个结论,那为什么也有说法说,只要比光速慢的物体永远比光速慢,比光速快的物体永远比光速快也是不违反相对论的?

 

ANS:

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:
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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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