相对速度不能超过光速的原因（传输信息的速度能否超过光速）

注：来自加拿大皇家军事学院的天文学家

提问：

我是加州大学伯克利分校的一名大学毕业生，主修数学和经济学。然而我很喜欢在课外的时间阅读许多与科学有关的文章，所以我来到了这里。

无论如何，在这里我的疑问是——关于“在宇宙膨胀期间，其膨胀速度怎么比光速还快?”问题的回答——这个问题的答案是克里斯汀·斯佩肯斯写的。她在答案中说道，信息不能以超过光速的速度传播。我不太确定信息到底是什么意思，但我有一个不能与上述关于信息传播速度超过光速的断言相调和的思想实验。

假设我住在地球上，而我有一个朋友住在冥王星上。如果我想给他发信息的话，可以通过无线电发送，但是信息到达他那里的速度不会超过光速，况且光速从地球到达冥王星还需要几分钟的时间。然而，假设我有一根非常非常长的棍子，从地球一直伸到冥王星。如果我想给我的朋友发信息，我可以用这根棍子在冥王星表面敲出摩斯密码，这样几乎立刻就能做到信息的传送。通过这种方式，我传输信息的速度远远超过了光速。

我想问的是这个实验有什么问题吗？你是如何调和这个实验和上面的主张的呢？

回答：

很不幸的是，你通过用木棍敲击的想法并不会让你与你的朋友实现超越光速的交流。当你敲击一根棍子时，“敲击”的结果是一个波通过棍子从你的一端传到了另一端。为了能够看到这一点，请尝试下面这个实验：找来一个朋友，站在距离你几英尺远的地方，你们各自拿着绳子的一端，闭上眼睛。让你的朋友摇动绳子的一端，你的任务就是当你感觉到摇动时就告诉他。当你们相距只有几英尺时，你知道了“瞬间”的感觉，那是因为你朋友发送的波沿着绳子传播的速度比一秒钟几英尺的速度要快得多。

那么接下来让我们尝试同样的事情，但这次是在足球场的两边。现在，波需要几秒钟才能到达你那里，所以在你朋友的摇动和你的反应之间会有一段时间的延迟。然后如果你把一根绳子变得更密集、坚固的话，那么你就得到了你所举的例子中的棍子：它们之间的物理学原理是一样的。所以，从地球到冥王星将需要花费一定的时间。那么波穿过棍子时的最大速度是多少呢？当然是光速！

我们可以试着用更绝妙的方法来尝试比光速更快的交流速度：假设你在冥王星上的朋友有一个非常灵敏的探测器，可以在冥王星上探测到由地球引起的微小引力变化。为了与他沟通，你开发了一种可以改变两个星球之间距离的技术。此时你那个一直呆在冥王星上的朋友在仪表上检测到了引力的变化，然后你继续“摆动”地球来“敲出”摩斯密码的组合，那是瞬间的吗？

很显然答案是否定的: 引力也以光速传播！尽管还没有被直接探测到，但是在去年10月的一个实验中，携带有关于物体周围引力场的波（引力波）被证明是以光速传播的，这个实验涉及到类星体的光在木星周围的弯曲（这个结果仍然有些争议，不过，可以来看看这篇文章的详细解答）。

从你敲击棒子的材料到引力波，甚至当光不被用于交流时，由于一些人们还没有弄清楚的原因，光速似乎是物理学每一个分支的基本限制。这就是为什么我在之前的回答中使用了“信息”这个词，因为发送信息的方式比简单地发送光信号要多得多。

而且，只要你没有把信息一起发送出去，让物体的运动速度超过光速也没什么坏处。最后举一个例子，想象你在一个挤满了人的足球场里，他们正在做“波”的运动。这种现象的产生是因为当你看到你旁边的人站起来时你也站了起来，这样一个波就会在体育场周围传播。如果你用这种方式做“波”，它在体育场里传播的最快速度是光速，因为你必须根据你旁边的人的提示来站起来（或者是按下一个按钮，或者喊，或者站立时间长一点时间），但这只能以光速传播。然而，假设体育场经理想做一场真正壮观的表演，并给观众席上的每个人一张纸，上面写着站立的确切时间。

原则上，你可以让波浪任意快速移动，就像你可以告诉人们在任意时间起床。所以通过时间的精确协调，你可以让波速超过光速。这是否违背了最基本的物理定律？不，因为通过给每个人一张纸而产生的精心策划的浪潮里没有任何信息: 你事先在纸上给了他们信息(什么时候站起来)。在极端情况下，你可以在纸上告诉每个人同一时间站立，因为你预先告诉他们什么时候站立，“无限”快波根本不违反物理学。在“真实”波中，当你从旁边的人那里得到提示时，什么时候站立的信息只能以光速传播。

假设同样的“棍子”(在地球和冥王星之间)被推拉(用莫尔斯电码) ，而不是轻击... 是固体，难道整个“棍子”不会同时移动吗？很明显，棍子不会以光速移动，但是(在我看来) ，正在发送/接收的信息会以光速传播。

不幸的是，你的想法也不能解决光速有限的问题！下次你在游泳池(或者靠近水的地方)时，站在离池边一两英尺的地方，用手去“推”水; 被“推”的水不会马上到达池壁，而是要花一些时间才能到达那里。本质上，你“推”的动作在水中引发了一个波，把推力带到了边缘。同样的事情也发生在固体物体上，虽然你没有注意到，但是一个“推力”通过一个类似于水中的波到达了棍子的另一边，而且你使棍子越“坚固”，这个波走得就越快。然而，据我们所知，波在固体中的最大速度是光速。因此，即使你推拉棍子而不是轻敲它，你仍然只能以光速传输信息。

试图用一根长棍子来实现比光速更快地交流是一个相当普遍的想法，但是它不起作用。

BY: Kristine Spekkens

FY: 蓝多多

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