问答:不存在超光速的信息传递
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问答:不存在超光速的信息传递

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来自日课:一个简单的信念

读者 Stone: 万老师,我有个很矛盾的推论:电磁现象发现之前,一些由电磁产生的神奇现象超出了当时人们的理解范畴,他们只能用宗教和迷信来解释。其实现在的手机通信,GPS定位,视频通话等拿到牛顿那个时候,他们也是无法理解的,也许也会被划分到宗教或者迷信这个类别里面。那么我们现在无法认知的部分现象(宗教和迷信),是不是在未来的某个时间也有可能被发现或解释,比如时空穿梭,起死回生、四维、五维、多维空间等,那么宗教和迷信是不是可以称作“还未被发现和解释的物理现象呢?”

万维钢 我认为并不是这样。宗教和迷信,并不是人们用来解释未知现象的,而是用来解释“不可控”的现象的。 指南针永远指向南方,磁石可以吸铁,摩擦能够生电,这些电磁现象,据我所知,并没有被古人用宗教迷信来解释。古人没有说有一个什么神在让磁石吸铁。古人把这些现象当做日常世界的一个性质,给默默地接受了。而且古人还利用这些性质去做事。古人认为这些寻常的事情代表世界本来就是这样,无须解释。 那为什么有些古人认为闪电这个东西,是天神的动作呢?我以为,根本原因在于,磁石什么的都是稳定的性质,而闪电却是个随机的现象,是不可控的。 一个人从高处掉下来摔死,虽然古人不知道“万有引力”,但也不会感到奇怪。可是一个人如果是被雷劈死的,古人就会感到很奇怪:他在死之前的活动好像都很正常啊,可为什么不劈别人非得劈死他呢? 我认为迷信的根本原因在于人无法接受随机事件,人不接受“无缘无故”这个解释 —— 如果你找不到缘故,那就一定是鬼神的缘故。 那如此说来,所谓穿越时空、多维空间之类的事儿,只能叫科学假设或者科学幻想,不能叫宗教迷信。事实上只有科学青年对这些话题感兴趣,迷信的人更在意幸运之神能不能保佑他发财。 谣言不是遥遥领先的预言,迷信不是对科学之谜的提前相信。科学家、科幻作家和宗教人士观察世界的视角完全不同,不值得互相借鉴。

来自日课:英雄与危机

读者 孙俊峰: 为什么宇宙的膨胀速度可以一直加速呢?万老师在上一季日课中讲过现在宇宙的膨胀速度已经超越光速了,那这个速度有没有极限?

万维钢 关于在相对论中速度是如何叠加的,咱们下周会讲。关于物理定律禁止超光速这件事,我们可以记住一句口诀:不存在超光速的信息传递。这句口诀可以帮你判断一切超光速现象的真伪。 所谓光速不变,是光在空间中的移动速度 —— 严格地说是光在真空中的移动速度 —— 不变;而宇宙膨胀,则是空间本身的膨胀。 我们可以想象有一个巨大的气球,一只蚂蚁以固定的速度在气球上爬行。当气球膨胀的时候,气球另一端的观测者会觉得这只蚂蚁的爬行速度正在加快 —— 可是这只蚂蚁根本感觉不到,它还是那个速度。这只蚂蚁能以更快的速度把信息从A点送到B点吗?不能!因为虽然它搭上了气球膨胀的顺风车,可是A点和B点之间的距离也在膨胀。 空间膨胀的速度在整个宇宙中是均匀的,我们这里的空间也在膨胀,但是我们感觉不到。而在宇宙的大尺度中累计起来,远处物体因为空间膨胀远离我们而去的速度可以超过光速。但是!如果你去到那里,你会发现那里跟我们这里一样,并没有什么东西能超光速运动。 事实上,除了空间膨胀,还有些别的现象也是“超光速”的。比如你拿个手电筒,打出一个光柱,射向月亮,当你用手从月亮的一端划向另一端的时候,手电筒打在月亮上的那个光点,就可以以超光速的速度在月球表面移动!—— 但是!这个光点无法把信息从月亮上的一点送到另一点。 那只是一个光点而已。并不是月亮上真有一个什么东西在移动。

读者 漆小洛: 相对论是清朝末年的东西,想到这里我不胜唏嘘。那么除了相对论,还有哪些是即使今天听说依然极其前卫的学问呢?

万维钢 我小的时候看了很多关于外星人、远古文明、神秘现象的东西。对比小学里教的知识,我感觉人类太渺小了,只有外星人的科技才厉害。现在想起来,我那纯粹是坐井观天。 千万不要低估现代文明。启蒙运动以来的所有学问,都跟我们在日常生活中的认知非常不一样。科学只是一方面。现代学者搞的东西,包括“道德”这种古老的话题在内,都很前卫。 那为什么这些已经超过一百年的学说还没有普及呢?为什么我们整天还在拿几千年之前的那一套眼光思考呢?这可能是因为我们还没有完成启蒙。人类中的先进分子发现新知识的速度,大大超过了人类整体的适应速度。

读者 陈C: 在讲麦克斯韦的发现时,提到“电磁波的速度正好是光速,从而说明光其实就是电磁波。”这里面看上去有一个混淆相关性与因果性的问题,比如说有可能电磁波的速度与光速“正好”一样,或者它们都受到了其他因素的影响。今天我们都知道,可见光只是电磁波中的一个频段,但是在当时,人们是怎么推导并证明这一点的呢?

万维钢 “光就是电磁波”,这件事并不是麦克斯韦用理论推导证明出来的一个数学结论,而是他提出的一个物理假设。 我们说了,物理学不是求解数学应用题。通过已知的知识,用严格的数学推导,推导出来一个逻辑上无懈可击的结论,这个不是物理学发现,这是机械化的推理。 物理学家做的最高级的事情,是在这些机械化的推理之外,跳出数学推导,提出一个大胆的假设。麦克斯韦仅仅看到他解出来的电磁波速度约等于当时人们测量的光速,就断言光就是电磁波,这就是一个大胆的假设,是一次思维跃迁。 这就好比说一个侦探通过勘察现场,发现作案人的身高是1米63,他想到与此案相关的一个人的身高就是1米63,于是他跟助手说,那个人就是凶手。这个断言上法庭好使吗?不行,法官会要求进一步的证据。那这个断言没用吗?当然有用,这恰恰是体现了侦探的破案功夫。 得有别的物理学家去做实验证明,作进一步的探查,我们才能确信光是一种电磁波。但是,麦克斯韦面对方程的解在那一刹那的灵光闪现,是整个发现过程中的决定性一步。要知道在他之前,从来没有人能想到光和电是一回事。 科学是一个严密的体系,但是搞科学研究,取得科学发现,那是一种艺术。 爱因斯坦设定光速不变,是时空的观念要变,也是一个这样的断言,必须有后来的实验证据才行。但光荣属于爱因斯坦。后面我们还要继续看到爱因斯坦的这种神来之笔。

读者 喵大王: “因为双星距离我们十分遥远,星光到达我们需要的时间就很长,这一点点速度差异就足以让我们观察到两颗星的星光有一个延迟。”提问:如果能观测到延迟,那这个延迟的表现是什么样子呢?

万维钢 想象有人每天早上给你寄一封信,每天晚上给你寄一封信。如果你收到信的时间也是正好每12小时一封,你就能确信,邮递员送信的速度是一样的,跟早晚无关。如果邮递员送信速度跟早晚有关,你在不同的距离上收,就会发现收信是混乱的,几乎每天任何时候都可能收到一封信,你可能会先收到晚上的信后收到早上的信。 如果光速与光源速度有关,我们观察双星系统会看到模糊的一团光,而不是不管距离多远都是清清楚楚的两颗星!

来自日课:光速啊,光速

读者 浮世绘: 以太和空气有什么区别呢?推测以太性质的时候说它能充满整个宇宙,但又说“相对于以太的静止是绝对的静止” 那么就是说空气可能被外界物体改变运动状态和性质,而以太是不会受外界影响的,只是始终静止的呆在一个地方吗?

万维钢 我们文章中只讨论了地球相对以太运动的情况,但当时的物理学家也考虑了地球拖着周围的以太一起运动的情况。如果以太有一定的粘滞性,会跟着地球一起动,那的确,我们在地球上做实验就会看到光速在各个方向一样。但是,如果是那样的话,从地球看远处的星光,在地球公转的不同位置,就会有不同的偏折 —— 而我们没有观察到那种偏折。所以我们只好假设以太不会到处动,只作为宇宙的背景存在。

来自日课:刺激1905

读者 agentle深海: 既然运动是相对的,为什么是它在高速运动,而不是我在高速运动呢?为什么是它的时间变慢而不是我的时间变慢呢?

万维钢 是你和它都在相对于对方的坐标系高速运动,相对于自己则当然都是静止的。你看他的时间比你慢,他看你的时间比他慢。关于这一点,特别是关于“双生子佯谬”,我们下周会专门讲。

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