光速極限

谷銳譯 原文︰Slaven

在讀AD歷險記中，你可能注意到AD的速度幾乎是，但並不等于光速。這似乎有很充分的理由︰遠低于光速的速度相對論效應不顯著。然而實際情況是超光速在物理學中是不可能的。

我會告訴你這是為什麼。假想AD奮力想將他的飛船加速到光速。好，我們已經知道物質的能量與γ參數成比例，這在相對論計算中太普遍了。但你現在也會知道當物體的運動速度等于光速時，γ參數將變為無窮大。因此，為了讓AD的飛船加速到光速，他將需要無窮大的能量。這顯然是不可能的。因此盡管對于一個物體可以以多麼接近光速的速度運動並無限制，但任何有質量的物體都不可能達到光速。實際上，沒有質量的物質必須以光速運動，在此我不想討論其原因。唯一的一種沒有質量的物質是光（被稱作“光子”），或許還有中微子（不久前已經證實，中微子有質量。譯者）

還有其他物體不能朝光速運動的原因。其中之一與“因果性”有關。假設我投出一個壘球並打碎了一扇窗戶，那麼“我投出球”就是“窗戶被擊碎”的原因。如果超光速是可能的，那麼一定會有某種參照系，其中“窗戶被擊碎”先于“我投出球”發生。這導致各種邏輯沖突（特別是當窗戶已經碎了之後又有人截獲了飛行中的球，阻止了窗戶被擊碎！）因此我們將物體能超光速運行這種可能性排除了。更進一步，因果性排除的不僅是朝光速運動，更排除了任何超光速通訊。

光速，就我們所知而言，是一道不可逾越的障礙。

如果你和我一樣是個科幻迷，這將是一個壞消息。幾乎可以肯定，在除地球之外的太陽系中不存在有智慧的生命。然而恆星間的距離太遠了！我們即使以光速運行，到達最近的恆星也要花上4年時間。所以沒有比光快的交通手段，將很可能無法在銀河系中游蕩並與異型文明相遇，為爭奪銀河系的帝位而站，等等。

另一方面，由于長度收縮，或許情況並非那樣令人絕望。假設你登上一條飛船，以接近光速飛往10光年以外的一顆恆星。從地球的參照系看來，這個旅行將持續10年。然而對于這次旅行中的乘客而言，長度縮短了。因此這個旅行只用了不到10年的時間。並且飛船飛行得越接近光速，（相對于地球和恆星的）長度收縮得也越多（你也可以從時間膨脹的角度考慮這個問題）。

為了說明這點，這里有一個表，標明以不同的速度到達不同目的地所需要的時間。讓我解釋一下它們的含義︰

首先，為了能產生顯著的長度縮短，我們必須非常接近光速。因此我假設在旅行中飛船可以產生一個穩定的加速度。這也就是說，飛船內的人將感受到一個連續的加速度。例如，前半程以1g（g為地球的重力加速度。譯者）加速，後半程以1g減速。

第二列以光年為單位給出了地球距離我們目的地的距離（一光年是光在一年內傳播的距離，大約是6萬億英里）。我加入了三種不同加速度的計算，一種較小，另一種較大；剩下的一種與地球的重力加速度相等。加速度為2g的旅行可能會非常不舒服，因此或許你根本不用再考慮所有比這更大的速度。

第四列列出了最大速度（在中點處，當飛船正要轉入減速運動時）與光速的比值。最後兩列給出了旅行所需要的時間。首先以地球為參照系，然後以飛船為參照系。其中的差別很重要。我的意思是，如果說你乘飛船以2g的加速度飛往獵戶座，在你到達獵戶座之前要在飛船上渡過6.8年的時間。（盡管距離很遠，但“飛船時間”增加得非常慢。這是因為距離越大，在開始減速前你越能接近光速飛行，因此你得到的長度收縮越多！）但當你到達那里的時候，地球上已經過500多年了。你到達獵戶座後所發出的任何信息都將在500年後到達地球，回信也是如此。因此如果人類有一天能漫步在銀河系之中，不同居住點之間將處于隔絕狀態。地球上的人不可能以任何常規方式同獵戶座附近的人交談。

為建造一艘可以像這樣無限加速的飛船，現在看來有無窮的技術困難。這些困難可能會被證實是不可克服的，那麼我們就只能在幻想的空間遨游；但如果它們是可以克服的，並且如果我們人類可以活得足夠長以克服它們，那麼我剛才所描述的正是依據狹義相對論的理論上（可行的）遠程宇宙旅行。

當然，許多科幻小說仍然加入了超光速飛行。但它們也常常不得不在其中引入一些奇怪的概念，如︰“（時空）扭曲”、“超時空”。最終的情況是︰就我們今天所知的時、空而言，超光速飛行是不可能的。但如果你喜歡，你總可以寄希望于某種時空的“窗口”或一個全新的，允許物體超光速運動的物理分枝被發現。

那樣，我們就可以著手建立一個大銀河帝國了！