有没有超越光速的可能?

有没有超越光速的可能?

实际上光速作为一个速度上限只是狭义相对论中的内容,也就是说,静态的平直的(闵可夫斯基)时空中的速度上限是光速。

但是有一点,速度和速度定义不同,带来的结论也不同。有鉴于广相所在的 C^\infty 的空间中说,任意一点的一个切空间,在足够小的时候都可以近似看作闵科夫斯基空间,这样的话我们局域的来看,光速确实是不可超越的。

但我们并不关心这个。我们关心的是,对于一个无穷远的观测者(闵氏空间观测者)来说的。

超越光速最常见的例子就是暴涨。

我们所生活的宇宙并不是静态平直的闵氏空间,而是有着另外一个名字叫做 FRW(Friedmann-Robertson-Walker)时空。当然名字不重要,这个时空的特点是,可以膨胀缩小的同时保证物理定律的不变。也就是说,我们的宇宙是可以膨胀的。还用那个非常经典的例子,说我们的宇宙好比是一个气球的表面,只不过气球表明只是一个二维的空间,而我们的宇宙是一个四维的,一个有时间的意义,另外三个有空间的意义。当我们吹气球的时候,气球变大,表面上原来相聚很近的两点之间距离就会变大。可以想象,如果我们吹的越快,气球上的两点相互离开的速度就越快,同样,如果宇宙膨胀的越快,宇宙中两点相互背离的速度也越快。

但是,气球上的两点无论如何吹,都是无法超越光速的,这是因为这个气球本身还是闵氏空间的物体。但是宇宙不同,宇宙膨胀的时候,是时空本身在膨胀,是不受到光速的限制的。为什么?因为在 Einstain 的理论框架下面,时空本身仅仅是一个很平淡无奇的张量场,而且过于平淡了,本身无法传递信息,FRW 时空的膨胀收缩,并不会破坏因果律。

暴涨是我们假设的宇宙初期一段快速膨胀的历史。这段时期中,宇宙以惊人的速度膨胀,其中的物体以惊人的速度相互离开,远远超过光速。

可能要问,暴涨里面的超光速和我们静态的闵氏时空里面超光速有什么不同的啊,我们看起来反正都是超过光速了。实际上不同的时空中有不同的运动规律,有些规律不变,有些就变了。这里,我们在考虑物体的运动的时候,如果是在静态的闵氏时空中,那就是这个物体的运动,但是一个动态的宇宙中,我们还要把时空的运动也考虑进来。

那为什么我们都不怎么提超光速呢?因为我们生活的宇宙虽然整体上来看是个 FRW 时空,但是在我们生活的地球周围几十万光年内,是很难察觉出宇宙的整体性质的,我们周围很大很大都可以看作是闵氏时空,所以自然也看不到超光速。

另外,非常重要的一点是,在任何跟随时空一起运动的参考系中观察局域现象,也不会有超光速。

除了暴涨的例子,还有一些其他的,比如曲率推进,我个人认为曲率推进并不会违反因果律,但是如果你读过李淼老师的博客里面的一篇曲率推进的文章,会发现李老师是认为曲率推进是违反因果律的。作为扩展阅读,可以看一下李淼老师的文章:http://limiao.net/3461,另外我也写过带很多公式的科普:http://multiverse.lamost.org/blog/3881。