注：來自加拿大皇家軍事學院的天文學家

提問：

我是加州大學伯克利分校的一名大學畢業(yè)生，主修數(shù)學和經(jīng)濟學。然而我很喜歡在課外的時間閱讀許多與科學有關(guān)的文章，所以我來到了這里。

無論如何，在這里我的疑問是——關(guān)于“在宇宙膨脹期間，其膨脹速度怎么比光速還快?”問題的回答——這個問題的答案是克里斯汀·斯佩肯斯寫的。她在答案中說道，信息不能以超過光速的速度傳播。我不太確定信息到底是什么意思，但我有一個不能與上述關(guān)于信息傳播速度超過光速的斷言相調(diào)和的思想實驗。

假設(shè)我住在地球上，而我有一個朋友住在冥王星上。如果我想給他發(fā)信息的話，可以通過無線電發(fā)送，但是信息到達他那里的速度不會超過光速，況且光速從地球到達冥王星還需要幾分鐘的時間。然而，假設(shè)我有一根非常非常長的棍子，從地球一直伸到冥王星。如果我想給我的朋友發(fā)信息，我可以用這根棍子在冥王星表面敲出摩斯密碼，這樣幾乎立刻就能做到信息的傳送。通過這種方式，我傳輸信息的速度遠遠超過了光速。

我想問的是這個實驗有什么問題嗎？你是如何調(diào)和這個實驗和上面的主張的呢？

回答：

很不幸的是，你通過用木棍敲擊的想法并不會讓你與你的朋友實現(xiàn)超越光速的交流。當你敲擊一根棍子時，“敲擊”的結(jié)果是一個波通過棍子從你的一端傳到了另一端。為了能夠看到這一點，請嘗試下面這個實驗：找來一個朋友，站在距離你幾英尺遠的地方，你們各自拿著繩子的一端，閉上眼睛。讓你的朋友搖動繩子的一端，你的任務就是當你感覺到搖動時就告訴他。當你們相距只有幾英尺時，你知道了“瞬間”的感覺，那是因為你朋友發(fā)送的波沿著繩子傳播的速度比一秒鐘幾英尺的速度要快得多。

那么接下來讓我們嘗試同樣的事情，但這次是在足球場的兩邊?，F(xiàn)在，波需要幾秒鐘才能到達你那里，所以在你朋友的搖動和你的反應之間會有一段時間的延遲。然后如果你把一根繩子變得更密集、堅固的話，那么你就得到了你所舉的例子中的棍子：它們之間的物理學原理是一樣的。所以，從地球到冥王星將需要花費一定的時間。那么波穿過棍子時的最大速度是多少呢？當然是光速！

我們可以試著用更絕妙的方法來嘗試比光速更快的交流速度：假設(shè)你在冥王星上的朋友有一個非常靈敏的探測器，可以在冥王星上探測到由地球引起的微小引力變化。為了與他溝通，你開發(fā)了一種可以改變兩個星球之間距離的技術(shù)。此時你那個一直呆在冥王星上的朋友在儀表上檢測到了引力的變化，然后你繼續(xù)“擺動”地球來“敲出”摩斯密碼的組合，那是瞬間的嗎？

很顯然答案是否定的: 引力也以光速傳播！盡管還沒有被直接探測到，但是在去年10月的一個實驗中，攜帶有關(guān)于物體周圍引力場的波（引力波）被證明是以光速傳播的，這個實驗涉及到類星體的光在木星周圍的彎曲（這個結(jié)果仍然有些爭議，不過，可以來看看這篇文章的詳細解答）。

從你敲擊棒子的材料到引力波，甚至當光不被用于交流時，由于一些人們還沒有弄清楚的原因，光速似乎是物理學每一個分支的基本限制。這就是為什么我在之前的回答中使用了“信息”這個詞，因為發(fā)送信息的方式比簡單地發(fā)送光信號要多得多。

而且，只要你沒有把信息一起發(fā)送出去，讓物體的運動速度超過光速也沒什么壞處。最后舉一個例子，想象你在一個擠滿了人的足球場里，他們正在做“波”的運動。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為當你看到你旁邊的人站起來時你也站了起來，這樣一個波就會在體育場周圍傳播。如果你用這種方式做“波”，它在體育場里傳播的最快速度是光速，因為你必須根據(jù)你旁邊的人的提示來站起來（或者是按下一個按鈕，或者喊，或者站立時間長一點時間），但這只能以光速傳播。然而，假設(shè)體育場經(jīng)理想做一場真正壯觀的表演，并給觀眾席上的每個人一張紙，上面寫著站立的確切時間。

原則上，你可以讓波浪任意快速移動，就像你可以告訴人們在任意時間起床。所以通過時間的精確協(xié)調(diào)，你可以讓波速超過光速。這是否違背了最基本的物理定律？不，因為通過給每個人一張紙而產(chǎn)生的精心策劃的浪潮里沒有任何信息: 你事先在紙上給了他們信息(什么時候站起來)。在極端情況下，你可以在紙上告訴每個人同一時間站立，因為你預先告訴他們什么時候站立，“無限”快波根本不違反物理學。在“真實”波中，當你從旁邊的人那里得到提示時，什么時候站立的信息只能以光速傳播。

假設(shè)同樣的“棍子”(在地球和冥王星之間)被推拉(用莫爾斯電碼) ，而不是輕擊... 是固體，難道整個“棍子”不會同時移動嗎？很明顯，棍子不會以光速移動，但是(在我看來) ，正在發(fā)送/接收的信息會以光速傳播。

不幸的是，你的想法也不能解決光速有限的問題！下次你在游泳池(或者靠近水的地方)時，站在離池邊一兩英尺的地方，用手去“推”水; 被“推”的水不會馬上到達池壁，而是要花一些時間才能到達那里。本質(zhì)上，你“推”的動作在水中引發(fā)了一個波，把推力帶到了邊緣。同樣的事情也發(fā)生在固體物體上，雖然你沒有注意到，但是一個“推力”通過一個類似于水中的波到達了棍子的另一邊，而且你使棍子越“堅固”，這個波走得就越快。然而，據(jù)我們所知，波在固體中的最大速度是光速。因此，即使你推拉棍子而不是輕敲它，你仍然只能以光速傳輸信息。

試圖用一根長棍子來實現(xiàn)比光速更快地交流是一個相當普遍的想法，但是它不起作用。

BY: Kristine Spekkens

FY: 藍多多

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