[中配]為甚麼超光速旅行會導致時間悖論？

在一秒鐘內 繞地球七圈 三 飛往月球再回來 為什麼 只需幾個小時 就能穿過銀河的星辰壁膀 當我們接近光速時 這樣極快的旅行 將向我們展開 但即便你坐上了一艘 嶄新的超光速飛船 奇怪而詭異的事情 在它還未達到最高速度時 就會開始發生 而當它以光速飛行時 你會對此感到後悔 在這個視頻中 你將瞭解到 為什麼接近光速的感覺 像是一場迷幻旅行 科學家們是如何做到 甚至更快的 以及為什麼你並不真的想要 以接近光速的速度旅行 如果你超越了這個速度 你會絕對厭惡這種體驗 在未來 如果我們達到 僅僅是光速的一半 每秒一千公里 我們就能在十分鐘內 飛到火星上的殖民地 沒有任何物理理論 禁止這一點 那麼問題可能是什麼呢 首先實際上 這會看起來很奇怪 我想請你稍微離開屏幕一點 以確保安全 麻省理工學院的科學家 開發了這個獨特的視頻遊戲 以幫助我們理解 當我們接近光速時 會看到和感覺到什麼 這個遊戲為什麼發生在一個 有著巨型蘑菇 和披袍邪教徒的奇怪村莊 別問了 這裡最重要的是 這款遊戲展示了 接近光速的所有效果 但並不要求玩家獲得速度 相反 光在虛擬空間中本身會減慢 根據愛因斯坦的相對論 這是一回事 每收集一個圓球 你的速度就會提升3000公里每秒 一旦你達到光速的20% 你的周圍環境就會突然開始變化 你面前的一切 變得明顯更加輕盈和紫色 如果你在如此速度下回頭看 將會看到一片荒涼的紅色景觀 發生了什麼 你正在目睹多普勒效應 那種讓遠離地球的星系 看起來變紅並褪色 而靠近的星系 比如仙女座 看起來更紫的現象 當速度達到光速的一半時 多普勒效應將賦予你紅外和紫外線視力 基本上就是把你的旅程 變成一次迷幻之旅 當你向右或向左轉頭時 你會看到光譜實時變化 雖然在現實世界中 離開這個可愛的遊戲 你到那時可能就已經死了 科學家習慣把空間稱為真空 但實際上這並不完全正確 當然 那裡無法呼吸 但外太空並非空無一物 我指的不是隕石 在地球和月球之間 每立方米的所謂真空中 包含多達一千萬個原子 而當你一開始向火星加速時 所有這些原子都會變成無形的子彈 在光速的20%下 美麗的紫色偏移 並不是你能看到的唯一現象 你的宇宙飛船的塗層上 也會有一些迷人的爆炸 每一次這樣的爆炸 都是由一個單一的重原子引發的 比如氧 至於氫的氫核 這在宇宙中最豐富的原子 它們會穿透外層 令你的宇宙飛船內部 變成一個比切爾諾貝利 更危險的輻射區 當你達到光速的一半時 你的宇宙飛船將變成一堆殘骸 載著灼傷的放射性乘客 從積極的角度來看 一粒微小的灰塵 就足以結束你的痛苦 以這樣的速度 與一粒塵埃相撞 就相當於一顆熱核彈的爆炸 而科學家們計劃 通過在宇宙飛船前方使用保護屏 來抵禦單個原子的碰撞 但對於宇宙塵埃粒子則無計可施 不 你絕對不可能在十分鐘內飛往火星 除非你願意冒險 試圖從太陽系邊界 衝向現在由旅行者太空探測器 探索的星際介質 根據他們的傳感器數據 科學家瞭解到 那裡的每立方米 只有一千到十萬顆原子 這簡直算不了什麼 所以 如果我們把飛船做得非常狹窄 然後在前面放一個錐形護罩 來保護其表面不受許多爆炸的影響 我們甚至可以冒險嘗試 超過光速一半的速度 接下來 我們只需祈禱 不要碰到任何失控的粒子 但是 當我們這樣加速時 會迎來更加驚人和有害的效果 那麼如果我們試圖達到甚至超過光速 我們會看到什麼呢 首先 讓我們回到麻省理工學院的遊戲 收集更多的能量球 對於科學來說 當以80%的光速行駛時 那道極為明亮的多普勒光點 使得很難向前看 就好像有人用一根巨大的雪茄 燒穿了時空的本質 但不管怎樣 你都不想回頭 你所看到的 只有一種無盡的黑暗在你身後追逐 你看 這時從你的視角看 普通光很難與你保持同步 它正在變成不可見的無限電波 但接近光速的最不尋常的效果 只有在我們關閉多普勒效應時 才會顯露出來 看起來像是科幻小說中的跳躍驅動器 遠處的物體變得更加遙遠 視野被拉伸 而你以驚人的速度飛向目的地 可是等一下 相對論 說這一切應該都不同 愛因斯坦認為 當一個觀察者在接近光速的飛船上時 眼前的一切都會被壓縮和平坦化 對於這樣的旅行者來說 地球似乎更像是一個盤 而不是一個球體 是的 平面地球論者 你們的時刻來了 愛因斯坦站在你這邊 但事實是他錯過了一個要點 根據相對論 當你接近光速時 時間對你來說會顯著減慢 這意味著來自你面前物體不同部分的光子 到達你眼睛時會有顯著的延遲 這就是視野拉伸的原因 但是愛因斯坦確保我們不會注意到它的實物 相對論還意味著 航天器越接近光速 它的重量就越大 原因在於 我們用於加速的能量 在某種程度上轉化為質量 計算表明 在光速的90%下 宇宙飛船的重量將是原來的兩倍 這意味著 加速需要更多的能量 這將使它的質量進一步增加 長話短說 愛因斯坦是毫不妥協的 無論你是人還是船 只要有質量 就在物理上不可能達到 更不用說超過光速了 等等 那些關於天文學家和物理學家 目睹突破光速障礙的報導怎麼說 這個微弱的點 是已知最古老的星系之一 科學家估計它的年齡為134億年 但它的紅移與320億光年 距離相匹配 這根本不成立 顯然 整個星系與數百萬顆恆星 以兩倍於光速的速度飛離我們 最終距離如此遙遠 那麼為什麼我們不能做到同樣的事情呢 答案在於宇宙自身的異常行為 如果我們均勻膨脹 就像一泡肥皂泡 我們只會看到這個小圓圈內的空間 也就是哈勃極限 但我們通過望遠鏡看到的幾乎所有物體 都遠在三倍的距離之外 從地球的角度來看 多達97%的星系越過哈勃極限 因為它們突破了這個光障 但實際上 這種不可思議的速度 並不是銀河系的屬性 而是它們之間的空間 它在不斷地以越來越快的速度擴展 你看 它沒有任何質量來遵循愛因斯坦的定律 但是中微子作為亞原子粒子 確實有質量 儘管很微小 2011年負責OPERA實驗的科學家 在大型強子對撞機工作的過程中 觀察到一個中微子束 以每秒307,000公里的超光速 射入探測器 這在科學界引起了軒然大波 但這並沒有持續多久 結果科學家們 只是把其中一根電纜的連接器 修得有點鬆 儘管astronomers對微不足道的光速突破 幾乎沒有什麼在意 畢竟他們早已在監測 M87星系中心的一個超大黑洞 它以六倍光速 噴射出等離子體噴流 對此你怎麼說愛因斯坦 奇怪的是 這些超光速的噴流 只是在確認它的結論 事實上 等離子射流的速度 並沒有超過85%的光速 而有兩個因素讓它看起來更快 我們的觀察角度和由你猜到的 愛因斯坦理論中描述的相對論效應之一 所造成的時間扭曲幻覺 但如果我們決定打破它的規則 試圖在我們不科學的飛船上 至少達到光速 我們會看到這個 一級絕對的黑暗 它將持續永恆 因為在光速下 時間膨脹效應變得無限 換句話說 在光速下 任何旅行者將永遠停留在某一時刻 就像漢索羅被冷凍在炭製冰中一樣 但真的沒有打破這個僵局的希望嗎 為了超越光速 科學家們想出了幾種巧妙的方法 但是如果你嘗試使用它們 要小心悖論 實際上已經存在一種完美的科學方法 可以在四天內從地球飛往最近的恆星系統 拜人馬做阿爾法星 而不是四年 90年代中期 物理學家謝爾蓋·克拉斯尼科夫 提出使用一艘配備了特殊能量鑽頭的宇宙飛船 通過扭曲時空的通道進行旅行 這種克拉斯尼科夫管道 將使普通航天器 在數小時內在星際間旅行 但是如果我們帶著一個超光速隧道 會怎麼樣呢 幾乎在與克拉斯尼科夫同時 1994年 墨西哥物理學家米格爾·阿爾庫比·埃爾 在觀看星際尼航系列時 靈光一現 在其中 企業號宇宙飛船 使用了彎曲引擎來扭曲周圍的空間 一實現超光速旅行 阿爾庫比·埃爾還想到了那些 看似以超光速移動的遙遠星系 並最終發展出了一種現實中的曲速引擎 引擎使用一種特殊的方法 來壓縮前方的空間 並擴展後方的空間 壓力差異產生一個扭曲的空間泡泡 從理論上講 它可以移動的比光速快100倍 而且在不違反愛因斯坦假設的情況下 您看 飛行的宇宙飛船 實際上會保持在同一個地方 而不會獲得額外的相對論質量 那麼為什麼我們還沒有建造自己的企業號呢 或者至少開造出一網絡的克拉斯尼科夫隧道 問題是那是燃料 這兩個項目都需要負能量 這是一種目前僅存在於物理方程中的 數學悖論 雖然其中一位德國理論家埃裏克·倫克斯 提出了一種克服奇異燃料限制的方法 並創造了一個非常相似的程度 但它使用的是常規能源 不過事情並沒有那麼簡單 為了讓宇宙飛船加速到超過光速 必須用數百個木星的能量 來為其提供燃料 而我不記得USS Enterprise 在每次跳躍之前吞噬行星 然而NASA對於有一天建造一艘驅逐飛船 是相當認真嚴肅的 只要它能夠藉助新發現顯著抑制發動機的需求 與此同時 一組來自阿德萊德大學的研究人員 花了多年時間研究愛因斯坦方程的替代解 以消除光速限制 他們的初步結果看起來頗具前景 那麼當我們克服光速後 什麼會阻止我們 警告 你正在進入一個令人震驚的悖論區域 你看 飛船以光速衝破永恆的黑暗 試圖再獲得六萬公里每秒的速度 但可惜的是 當你達到光速時 時間停止 進一步加速時 時間倒流 但這並不意味著你在穿越過去 只是你的超光速加速瞬間變成了普通的減速 這正是你在數學公式中加入負號時發生的情況 因此在每一次嘗試超越光速時 你最終都會被推回去 與其進行超光速旅行 不如說你會發現自己在撞牆 我應該提到那種不可思議的超載 會把在這艘宇宙飛船上的每個人都變成果凍嗎 實際上連果凍都不會剩下 你看 光子不僅僅是光粒子 原子在改變能級時會不斷吸收和發射它們 簡單來說 光子在許多化學反應中充當快遞員 而且它們幫助電子形成更強的分子件 你甚至還不給小費 所以如果你試圖超越光速 這些光子快遞員就會停止工作 而構成你和宇宙飛船的物質將無法相互作用 至於接下來會發生什麼 物理學家無法確定 你可能會變成一小團塵埃 或者像成百上千顆原子彈一樣爆炸 或者兩者同時發生 無論如何 光子悖論將是你超光速旅行夢想的最後一根釘子 但如果我們嘗試說服宇宙 讓我們有一個更謙遜卻同樣令人嚮往的選擇呢 如果我們無法以光速旅行 那至少可以和住在其他星星附近的朋友 交換順時的超光速信息 或者這也是危險的嗎 乍一看 物理學給了我們很大的希望 2022年9月 美國勞倫斯利福默爾國家實驗室的研究人員 宣佈他們確實超越了光速 這一次真的不是為了吸引點擊 他們使用了一種特殊配置的強激光 成功將等離子體中的光波加速到每秒3900公里 這比光子自身的速度快了30% 這是否意味著我們可以在每部智能手機上 攜帶超光速的WiFi信號 慢一點 問題在於這個實驗中並不是光子超越了光速 而是他們的波子 這有點像水滴造成的漣漪 即使波浪迅速擴散 水分子在其中幾乎是處於靜止狀態的 這表明新的超光速波無法傳遞信息 他們唯一能做的就是用速度本身讓接受者感到驚訝 而且在太空中這個把戲根本不會奏效 這需要密集的加熱等離子體 但科學確實知道一種奇特的量子效應 對這些都不在乎 它成為質量效應遊戲系列中技術的基礎 角色們利用它進行實時的遠距離溝通 也就是說可以瞬間傳達信息 距離我們最近的內地外星行星普羅西瑪幣 位於距離地球稍超過四光年的地方 我們很可能在未來殖民它 而乘坐普通宇宙飛船去那裡將需要很長時間 你不必等四年才能聯繫到定居點的朋友 就像魔法一樣 你在地球上打開一個包含消息第一部分的信封 而一種未知的量子力量 瞬間為你在普羅西瑪的朋友 打開了一個包含第二部分的信封 那發生的速度遠快於光速 所以愛因斯坦確實非常討厭這種長距離通訊 無論如何 在2022年諾貝爾物理學獎頒發給了量子糾纏 以表彰對此現象可能性的無可辯駁的證據 如果你用它來糾纏兩個粒子 那麼如果第一個粒子改變狀態 第二個粒子的狀態將會瞬間被知道 不受任何障礙和距離的影響 但有一個問題 為了實現順時通信 必須在地球上將兩個粒子糾纏 其中一個交給你的定居者朋友 由他將其送往普羅西瑪幣 最後在事先約定的時刻測量其狀態 但只有當你和你的朋友事先達成一致 知道彼此想要說什麼時 這個信息才會有意義 簡單來說 單單打開量子糾纏的信封 並不足以提供溝通的足夠背景 此外 一旦你打開信封 你就會破壞他們之間的量子關係 無法恢復 在質量效應中 這個問題通過虛構粒子的幫助得以解決 這些粒子無論如何都保持糾纏 但這只會帶來另一個問題 我會確保這件事只在我們之間保密 謝謝 指揮官 我開玩笑的 我去告訴整個星系我們做了什麼 我恐怕有一些壞消息要告訴謝珀德指揮官 你看 與朋友的簡單聊天 可能導致指揮官無意中摧毀他們拼命想要拯救的宇宙 要理解為什麼超光速通信是如此危險 讓我們請教德國教授赫爾曼·明剋夫斯基 他曾教過阿爾伯特·愛因斯坦數學 我們要看看他的圖示簡化的時空表示 水平線是空間 數值線表示時間之間 而那個黃色的對角線與水平線形成了45度角 就是我們已經熟悉的光速障礙 為了從地球前往比林星壁 你的朋友會乘坐一艘速度極快的飛船 但不會超過光速 因此不會越過那條黃光障礙線 但是當他們在路上時 你決定使用超光速發射器 立刻分享你對最喜歡的節目的結局的看法 從你的角度來看 這條信息只能水平穿越光速障礙 記住這一點 但你的朋友並不高興 他們打算在到達比林星時一口氣看完這部劇 所以他們使用超光速發射器 讓你閉嘴 不要劇透 你可能會有點受傷 但宇宙會非常惱火 甚至會崩潰 關鍵是 你朋友的超光速信息 在你發送之前 就已經到達地球了 但為什麼它是以斜角越過光障 而不是水平的越過呢 這不是錯誤 只是你的朋友在一艘接近光速的飛船上 正在經歷我們一開始所討論的時空扭曲效應 因此他們的明可夫斯基圖上的直水平線 確實直接延伸到了地球的過去 所以他們會在你來得及寫任何東西之前 就叫你別再劇透了 但如果你不把消息發給朋友 你就無法收到他們的回覆 而你已經看過了 錯誤 你在這裡並沒有發明時間機器 你剛剛製造了一個悖論 一些科學家認為它可能會摧毀時空本身 儘管它的名字叫光速 但與光並沒有什麼關係 這是因果關係的最大速度 宇宙的各個部分能夠以此進行互動 相對於它龐大的尺寸 它確實非常小 但沒有辦法 當我們試圖克服因果關係的障礙時 我們失明於鮮豔的色彩 獲得無窮的質量 並在量子束縛斷裂中凍結在時間裡 這一切都是有原因的 宇宙本身也不遺餘力地保護自己 竭盡所能抵禦那些會摧毀時空的悖論 但如果我們更加小心呢 理論上我們可以向其他星星發送即時消息 而不傳遞任何可能以任何方式 違反因果關係的信息 也就是說我們不得不談論一些非常普通的事情 聊聊天氣吧 或者抱怨愛因斯坦又對了 但這意味著 如果我們以某種方式自己突破光速障礙 開始一次超光速的銀河之旅 我們就必須查出旅行者的記憶 以免他們在到達目的地時 說太多話而破壞宇宙 告訴我 如果你必須犧牲一生的所有記憶 你還願意飛向星辰嗎