超光速真的可以让时间走得更慢？得了绝症能不能坐飞船躲一躲？

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在正式开始本文之前，大家先来看一下著名的双生子佯谬：

假若地球上有一对双胞胎，一个留在地球生存，另一个则坐着接近光速的宇宙飞船在太空飞行。当一段时间过后（地球上数十年）太空旅行的人回到地球，此时地球上的人们会发现太空旅行回来的人要比留在地球的人年轻得多。

于是有人就提出：假设患了癌症是不是就可以通过乘坐飞船，让自己的时间过得慢一点，等到哪天地球上有了治疗癌症的手段再飞回来呢？

以上这两个假设是否成立呢？或者是否具备理论成立的可能？

答案是：理论上是可能的，而这个理论的基础就是爱因斯坦的相对论。一提到相对论，很多人就对它有着莫名的恐惧，因为它确实颠覆了我们的常识难以理解。

这篇文章咱们就一起以最简单易懂的方式来一起探究一下时间与光速的关系吧，其实就是经典物理运动学和相对论的激烈碰撞。

相对论真的难理解，为了写这篇文章大叔也是花了四天时间，希望大家能够多多支持！

相对运动

有这么一个场景：一个人在一辆高速运动的交通工具上用手电筒向前打出一束光（光速度为C），在这个交通工具的另外一头（相隔一段距离L）有一个接收装置，问光从手电筒发出后多久能够到达接收点？

这个题咱们先不解，咱们先看看类似的问题（高中最爱考的相对运动题）。

其实这个题在我们上初中或者高中已经做过无数遍了，这个题就相当于问你在一辆飞驰的火车（速度V1）车尾上向前奔跑（速度V2），问多久能够跑到车头（距离车尾L）。

此时肯定就有学霸回答了：打死我都是L/V2，这个时间与火车的速度没半毛钱关系。不论是从奔跑者的视角来看，他自己想对于火车的速度就是V2（火车的速度对于他来说就是静止的），所以从车头跑到车尾时间L/V2。又或者从第三视角（火车外面的人）来看，由于人从车尾跑到车头火车也会向前行进一段距离（S），在第三视角看来人其实是跑动了L+S这么远的距离才到达车头的。但是此时跑动人的速度也变成了V2+V1（火车速度加成），假设花费时间是t那么就有下面的等式：

(V2+V1)*t = L+S ;

化解等式就是V2*t + V1*t = L + S，而V1*t就是S ，所以时间t = L/V2；

看吧，不管以哪个视角来算，时间都是一样的都是L/V2，奔跑者和第三视角的人时间都是一样的。

恩，此时如果是课堂回答问题老师一定会给这位学霸大大的赞，没毛病！

但是，现在回到前面那个问题手电筒光的那个问题。在这个问题上，可就会颠覆你的常识了。在交通工具上的人观测到的是手电筒光经过时间L/C后到达另一端，然而在第三视角看来光却是经过(L+S)/C，S为光束达到另一端时间内交通工具行驶的速度。（这里大家肯定会疑惑光速不应该变成C+V（交通工具速度）吗？别急往下看）

很明显(L+S)/C是绝对要大于L/C的，也就是说同样是光从一个点到另一个点，交通工具内的人经历的时间与第三视角经历的时间居然不一样？

或许你还觉得有点难以理解，那么我这样假设你应该就能很好地理解了：假设这个交通工具的速度能够超越光速，那么第三视角的我们会看到什么？手电筒的光永远无法达到另一端，甚至反而会倒退，也就是说光速变成负的了。

光速不变，时间倒流

这里注意了，最最最关键的点来了。

为什么会造成这种现象？造成两个问题不同答案唯一的变量就是一个是人（物体）、一个是光。对，没错就是光的原因。

这里有一个很重要的概念：光速不变。不管在任何参考系中光速都是C，它不会因为光源本身的运动以及观测者的相对运动而变化，它就是恒定的，这也是为什么物理界将光速定义为一个常数的原因。也就是说当你在一个快速运动的物体上发射一束光，不管你从何种角度去观测，光速都是C。因此才会造成交通工具内的人经历的时间与第三视角经历的时间居然不一样的现象。大家不必纠结光速为什么不变，这个结论是无数科学家通过实验验证过的，就是这样，这也是相对论的基础。

再回到前面的假设，假设交通工具的速度超越光速，前面在不知道光速不变理论的情况下我们假设成光速变成负的了。但是现在我们知道了光速是恒定的，那怎么解释呢？答案只能是时间变成负的。这也是为什么会出现超光速会让时间倒流说法的原因。

颠覆三观的实验-空间缩短

正是这个实验证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。后世无数科学家都在为解释他的这个实验而努力，最终爱因斯坦在前人的基础上抛弃静止参考系以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论，提出了空间缩短的概念。

这是个什么样的实验呢？这个实验的初始是建立在经典相对运动理论上，当时科学家们认为存在绝对静止参考系以太存在，于是便想通过相对运动理论及干涉理论计算地球相对以太的运动速度。

假设以太相对于太阳静止，仪器在实验坐标系中相对于以太以公转轨道速度V向右运动，光源发光经分光镜分光成两束光，光束1经反光镜M1（水平放置）反射再经分光镜投射到观测屏。光束2经反光镜M2（竖直放置）反射再经分光镜投射到观测屏，与光束1形成干涉条纹。

这个实验室建立在经典物理学基础上，当时迈克尔逊和莫雷认为水平和垂直方向光束从发射到接收到的时间必然会有差。于是有了下一步，在形成干涉条纹后，将装置整体旋转90度，则光束1和光束2到达观测屏的时间互换，使得已经形成的干涉条纹产生移动。再通过测量这个移动的距离便能换算出地球地球相对以太的运动速度。

咱们先不管科学家们是如何计算地球速度的，咱们只关注一个实验结果就是。实验结果就是光束1和光速2返回发射点（接收点）的时间是一样的。

这个实验结果可是让一群学霸怀疑人生了，抓耳挠腮近20年。为什么？我们计算一下就知道了（这里涉及的所有速度都是相对以太来讲的，也就是当时的绝对静止参考系，光速就是C）。

根据经典运动物理，在水平装置上光束从发射到被接收需要经过的时间应该为用两段时间相加：

t1 = t1 = L/(C-V) ，t2 = L/(C+V)，t水平= t1+t2 ；

在垂直装置上，从第三者视角看光线其实是按照图中虚线路径走的，所以时间t垂直为：

2L/(√(C-V))

我们将两个式子通分化简可以得出

t水平 = 2*L/C/(1-V/C)

t垂直 = 2*L/C/(√(1-V/C))

只要大家有初中数学知识都知道，以上两个时间是不可能相等的(除非V=0也即装置绝对静止)。从以上两个式子可以看出两个信息

1、t垂直是明显要小于t水平的2、超光速不可能存在（1-V/C为负值，根号内的数字绝对不可能为负），否则一切物理边界将被打破。

然而实际试验结果却是t水平 = t垂直，当时的一众科学家们觉得这真的难以置信，于是人们在不同地点、不同时间多次重复了迈克尔逊－莫雷实验，并且应用各种手段对实验结果进行验证，精度不断提高但是试验结果却没有一丁点改变。

明明在数学上不可能相等的两个式子最终结果实验却是相同的，这如何解释？难道要颠覆发展了数千年的数学体系？

这自然不可能，于是在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释迈克尔逊——莫雷实验。.乔治·菲茨杰拉德说是量杆在运动时由于电荷和磁场的作用下缩短了：

物质是由带电荷的粒子组成，一根相对于以太静止的量杆的长度，将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定，而量杆相对于以太在运动时，量杆就会缩短，因为组成量杆的带电粒子将会产生磁场，从而改变这些粒子之间的间隔平衡。这一来，迈克尔逊－莫雷实验所使用的仪器，当它指向地球运动的方向时就会缩短，而缩短的程度正好抵消光速的减慢。

洛仑兹说不仅长度收缩了，时间也变慢了，这样导致运动方向上的光速保持不变，这便是光速不变的最早模型。并且提出了著名的洛仑兹变换公式。

这个时候有一位一把大胡子的科学家听到洛仑兹的解释两眼放光，他就是著名的爱因斯坦。爱因斯坦认为既然光速不变，作为静止参考系的以太就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。他认为长度缩短并不是物体实质性地缩短，而是空间缩短，这种空间缩短不具有任何实质性的物理意义。并且更重要的是，爱因斯坦首次提出了时间膨胀的说法。

怎么说呢？

我们拿垂直方向的光束来说，假如在装置内观察，你会发现你发现光走一个来回的时间就是2*L/C，而以我们的第三视角来看，它就是按三角形的路径走的，我们观测到的时间也即是 2*L/C/(√(1-V/C))，毫无疑问这个数是大于2*L/C的，并且随着装置运动速度V的增大而增大。

也即是说，当物体运动的速度越接近光速那么对于装置外的第三视角来说，时间膨胀得越厉害。所以，假如你发现自己得了癌症，你可以选择乘坐超光速飞船躲避一段时间，等到地球有了先进的治疗手段再回来。不过目前地球上最先进的飞船是“新地平线”探测器。速度大概是每小时58536公里，距离光速还差的老远老远，因此这点时空膨胀压根可以忽略。

μ介子实验，打消你的疑虑可能有的朋友看到这里仍旧无法接受，但是有一个实实在在的实验可以证明运动对于时空的改变。

有一种叫μ介子的物质，在人类观测看来他的寿命只有2.2微秒，但是它的运动速度却是极快，能够接近光速。物理学家也在实验室里做过这个实验，他们利用回旋加速器把一些μ介子的运动速度提升至接近光速，再把另外一些μ介子放在静止的盒子里作对照，实验结果果然验证了相对论所，那些在加速器里高速运动的μ介子寿命更长。


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作者：百家号讲理老大叔

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