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1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，成為奠基現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石。在狹義相對論中，有兩個重要的前提假設(shè)，一個是有質(zhì)量的物體運(yùn)動速度不會超過光速，即光速不變原理。另一個是物理定律在所有非慣性參考系中保持不變。狹義相對論提出以后，將物質(zhì)所在的空間和時間統(tǒng)一為一個實體，即時空，在時空中運(yùn)動的物質(zhì)，包括各種微觀粒子的運(yùn)動速度，都會與時間以及光速有關(guān)。

關(guān)于“快子”的猜想

通過愛因斯坦的狹義相對論，科學(xué)界普遍得到一個“既定”的事實，那就是光速代表著現(xiàn)代宇宙中的速度極限，沒有任何物質(zhì)可以超越光速。不過，關(guān)于速度極限問題，科學(xué)家們也一直在做著相關(guān)的實驗和觀測，試圖尋找超越光速的現(xiàn)象以及物質(zhì)的存在。

比如，歐洲核子研究中心于2012年9月宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一些粒子比如中微子等，在一定條件下可能以高于光速的速度行進(jìn)。這對于現(xiàn)代物理學(xué)來說，絕對是一個“重磅炸彈”，由于這一觀測結(jié)果事關(guān)影響非常重大，需要持續(xù)進(jìn)行高精度的重復(fù)實驗以及其他實驗來加以驗證。

其實，早在上世紀(jì)60年代，美國哥倫比亞大學(xué)范伯格教授就提出了一種猜想，認(rèn)為在宇宙空間中存在著另外一種截然不同的粒子，即超光速粒子，也被稱為“快子”，這些“快子”組成了另外一個宇宙空間。在這個“全新”的宇宙空間中，一個能量為零的粒子是以無窮大的速度（肯定超越光速）運(yùn)動的，如果在行進(jìn)過程中這個粒子吸取了能量，那么它的運(yùn)動速度就會變慢，直至獲得無窮大的能量，速度才降到光速。這種粒子以及它的運(yùn)動狀態(tài)，正好與我們所處宇宙的情況相反。

也就是說，在假想的“快子宇宙”中，任何情況下，快子的運(yùn)動速度都比光速快，而按照狹義相對論，在我們所在的“慢宇宙”中，在任何情況下，一個物體的運(yùn)動速度不可能比光速運(yùn)動得快，所以，光速則成為兩種宇宙的“分界線”。根據(jù)范伯格的假設(shè)，“快子”這種粒子是從具有“虛質(zhì)量”的量子場中產(chǎn)生，這解釋了為什么狹義相對論的光速不變原理為何沒有限制“快子”的速度。

“快子”違反狹義相對論嗎？

如果我們認(rèn)可“快子”真的存在的話，那么和普通“慢子”之間，它們的特點對應(yīng)關(guān)系為：

· 快子：質(zhì)量是虛數(shù)（質(zhì)量的平方為負(fù)數(shù)），速度比光速要快，而且永遠(yuǎn)不能降低到亞光速。

· 慢子：質(zhì)量是實數(shù)（質(zhì)量的平方為正數(shù)），速度比光速要低，而且永遠(yuǎn)不可向上超越光速。

為了解釋它們的速度與能量之間的關(guān)系，我們可以繪制一個下面的圖來加以說明。

普通物質(zhì)的運(yùn)動特征線是紅線，隨著速度的提高，按照愛因斯坦狹義相對論推導(dǎo)出來的質(zhì)速方程，其運(yùn)動質(zhì)量也會隨之增加，再根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，要達(dá)到更高的速度，物質(zhì)要獲取的能量必須越來越大，當(dāng)達(dá)到一定程度以后，哪怕提高一點點速度，所需要注入的能量就會非常大。理論上，要想將普通物質(zhì)的速度達(dá)到光速，所需的能量就將是無窮大，顯然可以得出結(jié)論：普通物質(zhì)的速度都只能接近光速，但永遠(yuǎn)不可能超越光速。

對于“快子”物質(zhì)來說，情況正好相反，按照假想中它的特性，想要使其減速到光速，就必須注入無窮大的能量。因此，“快子”物質(zhì)的運(yùn)行速度，只能向下無限接近光速，但是永遠(yuǎn)不會越過光速變?yōu)閬喒馑?，也就是說“快子”物質(zhì)永遠(yuǎn)都是超光速運(yùn)行的。

從以上分析可以看出，光速是一種速度的屏障或者壁壘，是橫亙在普通物質(zhì)和“快子”類物質(zhì)之間不可逾越的界線。從某種意義上說，“快子”這種猜想中超光速運(yùn)行的物質(zhì)，并不違反相對論，因為相對論并不禁止超光速這種現(xiàn)象的存在，而只是禁止物質(zhì)從亞光速“超越”過“光速”這個界限。

“快子”會違反因果律

人們通常用光錐圖來解釋狹義相對論的概念。由于時空充滿了各種事件，從宇宙中強(qiáng)大的暴力事件，比如遙遠(yuǎn)宇宙空間中的超新星爆發(fā)，到我們看來非常平凡的事件，比如掉到地板上碎裂的雞蛋，這兩者看上去沒有必要的因果聯(lián)系。但是，如果我們把它們都映射到光錐圖上，反映事件聯(lián)系的進(jìn)程線就有可能發(fā)生變化。

在宇宙時空中同樣充滿著觀察者，每個觀察者都有自己的參考系，那么在不同的參考系下所看到的事件發(fā)生順序就有可能不同。比如，觀察者1看到超新星爆發(fā)發(fā)生在雞蛋碎裂之前，而觀察者2則有可能相反。

因為每個所發(fā)生的事件，都有一個與之相關(guān)聯(lián)的光錐。如果事件 B （雞蛋碎裂）落在事件 A （超新星爆發(fā)）的光錐內(nèi)，則兩者可能存在因果關(guān)系，從某種意義上來說，是超新星爆發(fā)導(dǎo)致了雞蛋的破裂，或者說雞蛋的破裂導(dǎo)致了“垂死”恒星發(fā)生引力坍縮繼而發(fā)生超新星爆發(fā)。在這個光錐中，傳播速度比光慢的信號可以將事件聯(lián)系起來，而光錐的邊緣則代表著光速上限形成的“屏障”。如果要將光錐外部的事件與其內(nèi)部的事件聯(lián)系起來，就需要一個比光線傳播速度更快的信號。

因此，如果事件A在光錐內(nèi)而事件B在光錐外，那么我們假設(shè)的超新星爆發(fā)和雞蛋破碎之間就沒有因果關(guān)系，那么，如果存在著高于光速行進(jìn)的快子，那么就可能將二者聯(lián)系起來，但是卻違反了因果關(guān)系，因為從某個參考系觀察，在事件A發(fā)出信號之前，事件B已經(jīng)接收到了這個信息。狹義相對論的基本假設(shè)之一，是物理定律在所有非加速參考系中應(yīng)該是相同的。這意味著如果“快子”可以違反因果關(guān)系并在一個參考系中及時向后移動，那么它可以在所有參考系中做到，那么勢必會引發(fā)相應(yīng)的悖論。

綜上，我們可以看到，如果一個"快子"在真空中運(yùn)行，那么它必然會在空間中留下一道可以檢測的光跡，但以我們現(xiàn)有的技術(shù)來看，觀測到這種光跡的可能性似乎是不存在的，我們只能從數(shù)學(xué)公式中推導(dǎo)出它的存在。

標(biāo)簽： 超越光速 作為一種