超光速，究竟會怎樣？

狹義相對論告訴我們，你運動得越快，時間流逝得越慢，而當運動的速度等於光速時，時間就停止流逝了。那麼超過光速呢？許多人就認為，此時時間就開始倒流。也就是說超光速旅行意味著回到過去。在許多科幻作品中常會出現這種情節。而寫於1923年的一首關於狹義相對論的打油詩，則形象地體現了這種觀點:「有位叫布萊特的年輕姑娘，她行走的速度遠勝於光，她以相對論的方式，從某一天出發，卻已於前晚歸來。」

但狹義相對論也告訴我們，要把一個比光運動慢的物體加速到光速，你需要無限多的能量，更別提要超光速了。而回到過去常常會破壞因果關係，例如所謂的祖父悖論：如果你回到過去，並殺死你的處在幼年的祖父，那麼你怎麼會在之後出生並長大後回到過去殺死你的祖父呢？所以說，超光速旅行是一件不可能的事情。

不過，讓我們暫時假設一下，如果可以進行超光速旅行，那麼究竟會發生什麼呢？時間真的會發生倒流嗎？

最近，美國密歇根理工大學的物理學家羅伯特·涅米羅夫，利用一個非常簡單的模型對此進行了研究，對於相對論這麼複雜的問題來說，即使簡單的模型也含有如下一系列設定：

設定1：離地球10光年遠的地方有一顆X行星，正在以相對於地球為0.1c（c為光速）的速度遠離地球。

設定2：有一艘宇宙飛船從地球上的發射台上起飛，以恆定的速度駛向X行星；抵達X行星後立刻再次起飛，以相同的恆定速度返回地球，並停在離發射台不遠的停機坪上。相同的速度，指的是飛船去程時相對於地球的速度，與返程時相對於行星X的速度大小相同。這意味著，飛船返程時相對於地球的速度大小需要使用狹義相對論來計算。

設定3：為了計算的方便，飛船發射時的時刻設為0。

設定4：討論中所說的時間和距離都是相對於在地球上的觀察者而言的。

涅米羅夫對飛船在近光速、等光速、超光速等不同速度下的情形進行了計算。他的研究結果呈現出的是一個超乎想像的世界。

0.1～1c：沒什麼奇怪之處

不管怎樣，飛船的速度必須大於0.1c，否則追不上X行星。我們先來考慮飛船的速度為0.5c的話，看會出現什麼情況。

如果地球和X行星的距離一直不變，飛船隻需要20年就能抵達目的地。但由於X行星正在1/10光速的速度遠離地球，飛船需要25年才能追上它。抵達時，飛船與地球的距離將變為12.5光年。鑒於光的傳播需要時間，地球上的你需要再過12.5年才能看到飛船抵達X行星。也就是說，飛船離開地球37.5年後，你才能在天文望遠鏡里看到飛船降落在X行星的情況。

之後飛船立即返回，其速度相對於X行星仍是0.5c，但根據狹義相對論，相對於地球來說速度不是變為0.4c(0.5c減去0.1c)，而是會變為0.4211c，這樣返程時間將變為29.69年，而飛船總共旅行的時間為54.69年。

但不管怎樣，地球上的你會看到，飛船就是直接離開了，抵達X行星，然後返回地球，不會看到有什麼奇怪之處。

1c: 事情開始變得有點怪異

如果飛船的速度是光速呢？很顯然，根據狹義相對論，飛船在往返中相對於地球的速度都將是光速。經過計算，飛船抵達X行星需要11.11年，抵達時與地球的距離當然變為11.11光年。鑒於光的傳播需要時間，地球上的你需要再過11.11年，即總共22.22年，才能看到飛船抵達X行星。而飛船從X行星返回地球需要11.11年。飛船總共旅行的時間為22.22年。

而這時候，事情開始變得有點怪異。過了22.22年，你才會看到飛船抵達X行星，但同時也會看到飛船返回了地球並降落在停機坪上。這是因為飛船抵達X行星的光信號，會與飛船一起以同樣的速度（即光速）抵達地球。

1～10c：「魅影」飛船的出現

如果飛船進行超光速旅行會是什麼情況呢？計算顯示，飛船進行超光速旅行時，會導致返程所需的時間小於去程所需的時間。

如果飛船的速度是5c的話，那麼飛船會在發射後的2.041年抵達離地球有10.20光年遠的X行星。由於相對論效應，飛船返回地球的速度，相對於地球來說將變為9.8c，所以回來的時間變短，只需再過1.041年就回到地球了。所以，飛船總共旅行的時間為3.082年。

但對於地球上的你來說，事情變得十分詭異。首先，你會看見飛船很正常地離開了地球。過了3.082年，你還會在天空中看到這艘飛船正飛往X行星，但同時你會看見停機坪上突然憑空產生兩艘同樣的飛船，其中一艘停留在停機坪上，另一艘會立刻離開地球並倒著飛往X行星。

之所以會出現這種古怪的現象，是因為飛船跑得比光快。飛船返回地球之後，你不僅會看到停在停機坪上的飛船，而且還能看見飛船離開時產生的影像（也就是你之前也能在天空中看到的飛船），還有就是能看見飛船返回時產生的影像（一艘從停機坪上飛往X行星的飛船）。

其中，飛船返回時產生的影像，看起來如同倒著播放的錄像一樣，或者可以說這艘飛船似乎在逆著時間行駛。為什麼這麼怪異？這是因為飛船跑得比光快，在飛船返回時產生的所有影像中，接近地球的會先傳到的地球上，遠離地球的會後傳到地球上，所以你會看到飛船先出現在停機坪，然後起身離開，倒著飛往X行星。

總之，飛船一旦抵達停機坪，飛船的影像就會從1個變為3個，但需要注意的是，飛船的真身只有那艘停在停機坪上的飛船，其餘的就只是影像，或者可以說是飛船的「魅影」而已。

在發射之後的12.24年，你才會看見那艘從發射台起飛的飛船抵達了X行星，另外你也會看見從停機坪倒著飛向行星X的飛船也抵達了X行星，並於前面的影像合二為一。也就是說，這兩個影像同時抵達了地球。那麼，之後會發生什麼？

因為之後再也沒有什麼影像傳到地球上，所以這兩個影像在合二為一之後就消失了，只留下停機坪上那個飛船的影像（如果飛船回來之後就始終停在停機坪上）。兩種圖像融合到一起並消失，有點類似與粒子與反粒子遇到一起並發生湮滅。

10c: 返程時間變為0

如果飛船的速度更快的話，返回所需要的時間就會越來越短。當速度為10c時，飛船需1.010年抵達離地球有10.10光年遠的X行星，而返程時間則變為0，也就是說飛船一旦抵達X行星，它會立即跑到地球的停機坪上。此時，返回時飛船相對於地球的速度變為了無窮大。

不過，對於地球上的你來說，事情還是與前面的類似。首先，你會看見飛船時候很正常地離開了地球。過了1.010年，你還會在天空中看到這艘飛船正飛往X行星，但同時你會看見停機坪上突然憑空產生兩艘同樣的飛船，其中一艘停留在停機坪上，另一艘會立刻離開地球並倒著飛往X行星。當時間為11.11年時，天空中的兩艘「魅影」飛船在X行星上融合到一起並消失。

等一下，再怎麼怪異，上面也沒有出現回到過去的現象啊？別急，我們再把飛船的速度增加一下。

10～19.95c:

具有負能量的飛船出現

如果飛船的速度繼續增大，返程時間將變為一個負數，這意味著飛船是逆著時間回到地球上的。而返程時相對於地球的速度雖然是一個正常的數，但是速度的方向將變為遠離地球的方向。那麼，飛船是怎麼逆著時間回到地球上的？

如果飛船的速度大於10c，卻小於19.95c（隨後我們就會明白19.95c意味著什麼），那麼事情將是這樣的：一艘飛船從地球上的發射台升空並前往X行星。過了一段時間之後，在停機坪那裡憑空出現兩艘同樣的飛船。其中一艘停留在停機坪上，另一艘會立刻離開地球並倒著飛往X行星。最終，從發射台升空的飛船與從停機坪倒著飛走的飛船，在X行星那裡融合到一起並消失。

注意這裡所說的不僅是你所看到的場景，更是真實發生的場景。在停機坪那裡憑空誕生出的兩艘飛船，是真實發生的，之後在X行星那裡發生的湮滅事件也是真實發生的。多出來的飛船不是「魅影」，而是在實實在在的事物。而前面那幾種情況，地球上的你看到的場景中，雖然能看到飛船的影像就會從1個變為3個，但其中的2個不過是「魅影」而已。

為什麼會這樣？這是直接利用狹義相對論的公式得到的結果，它並不會告訴我們為什麼這樣。不過，此時的確憑空多出兩艘飛船，這不違背能量守恆定律嗎？涅米羅夫認為，要想使得能量守恆，那艘逆著時間飛行的飛船應該具有負能量，這樣就可以憑空誕生兩艘飛船，並在X行星處發生湮滅並化為虛無。

另外，從停機坪離開倒著前往X行星的飛船，它是在逆著時間飛行。那麼飛船裡面的人會發現裡面的時鐘倒著轉嗎？事實上不會的，飛船裡面的人不會感覺到任何不對勁的地方，而地球上的人會注意到此時飛船上的時鐘在倒著轉。

如果飛船的速度是15c的話，去程所需的時間為0.6711年，返程所需的時間則為-0.3378年，總共旅行所需的時間為0.3333年。當時間為0.3333年時，停機坪那裡憑空誕生出的兩艘飛船，一艘停留，另一艘飛船以29.80c的速度（相對於地球）倒著前往X行星。最終，兩艘飛船同時抵達X行星並發生湮滅事件，時間為0.6711年，它們離地球的距離為10.07光年。

奇怪的是，地球上的你不會注意到此時與之前進行超光速旅行的飛船有什麼不同。如果速度是15c的話，那麼時間為0.3333年，你會看見兩艘飛船出現在停機坪那裡，不過當時間為10.74年時，你才能看見兩艘飛船同時抵達X行星並發生湮滅事件。

19.95c：

總共旅行的時間將變為0

然後我們就來說說19.95c。當飛船以此速度旅行時，會出現返程所需的時間是去程所需的時間的相反數，也就是說，飛船總共旅行的時間將變為0。這樣，飛船從發射台上起飛的同時，停機坪上就會憑空誕生出兩艘實實在在的飛船，一艘停留，另一艘飛船也以19.95c的速度離開地球。最終，兩艘飛船同時抵達X行星並發生湮滅事件，時間為0.5038年，它們離地球的距離為10.05光年。而地球上的你看到湮滅事件時，時間已是10.55年。

19.95c以上：

在發射前返回的飛船

如果飛船的速度大於19.95c呢？你可能猜到了，飛船總共旅行地球的時間將變為負數。這樣，在飛船還沒有發射之前，停機坪上就會憑空誕生出兩艘實實在在的飛船，一艘停留，另一艘飛船倒著飛往X行星。過了一段時間，飛船才從發射台上起飛。之後，空中的兩艘飛船會同時抵達X行星並發生湮滅。例如，如果速度是30c的話，那麼去程所需的時間為0.3344年，返程所需的時間為-0.6711年，這樣，總共旅行的時間為-0.3367年，也就是說飛船發射前的0.3367年，飛船就已經回來了。從發射台升空的飛船與從停機坪來開的飛船會在0.3344年在X行星相遇並發生湮滅，它們與地球的距離為10.03光年。地球上的你會在10.36年看到湮滅事件。

從停留在停機坪上的飛船走出來的宇航員，可以回顧著自己這趟旅程，之後宇航員還可以去看自己飛船的發射過程。那麼這時，類似於祖父悖論的時間悖論就會可能會上演：提前回來的宇航員說，X行星有著外星怪物，差點要了自己的命，所以宇航員阻止了之後飛船的發射。那麼如果阻止成功了，那麼怎麼會有經歷過旅行的宇航員回來去阻止發射呢？

鑒於時間悖論的存在，我們可以說飛船的速度不能大於19.95c。或者，我們可以假設存在某種物理學機制，使得宇航員不管做什麼都無法干擾飛船的發射。或者，也可以假設，飛船一旦開始逆著時間進行旅行，飛船以及宇航員就會進入平行的世界。也可以說，提前回來的宇航員來自於另一個平行世界，即使阻止成功了，也不會發生悖論。阻止成功之後，這個世界將會有兩個一模一樣的宇航員，他們之間唯一的區別將是一個經歷過這次旅行，另一個沒有經歷過。

如果飛船的速度變為無限大呢？很顯然，飛船會立刻抵達X行星，不過從X行星返回到地球的時間不是0，而是-1.000年。也就是說在發射前一年，飛船就回來了。另外，如果X行星離地球更遠，或者X行星遠離地球的速度越大，那麼飛船回來的時間就會越早。

奇怪而令人深思的設定

總之，超光速旅行並不總是意味著回到過去。另外，飛船超光速旅行時，有時還會產生兩個額外的飛船。

你可能會感到奇怪，為什麼涅米羅夫要設定一個遠離地球的X行星呢？這其實是為了討論方便而設立的，因為在這種情況下有可能出現飛船在發射前就返回的現象。如果沒有X行星，我們也可以假設飛船在天空中某個幾何點掉頭，速度變化的多少要相對於原來運動時的速度，這樣就可能出現提前返回的現象。

如果我們設定飛船從X行星返回時的速度相對於地球變為某個值時，不管這個值是多少，你怎麼算，都無法產生返回地球的時間小於0的情況，這樣就無法出現提前返回的現象。

涅米羅夫的研究引發了很多問題。例如，物體運動的速度超過光速之後，狹義相對論中的那些公式真的還能管用？這個超光速旅行，是否能揭示量子力學中某些看似超光速的現象呢？（例如量子糾纏現象，即單獨干擾其中任意一個粒子，會不可避免地瞬時影響到另外一個粒子的性質。）另外從發射台起飛的飛船里，宇航員能否看到另一艘倒著飛行的飛船？涅米羅夫只研究了固定在地球上的慣性繫上的場景，還沒有去詳細研究其的情況，不過他發現，雖然地球上的你可以看見一艘具有負能量的飛船倒著飛向X行星，但對於某些坐標系裡的觀測者來說，會認為不存在這艘負能量的飛船，那麼這種悖論如何解決？

你也不要想著計劃建造飛船準備來看看事情究竟怎樣。涅米羅夫的研究結果不可能在現實中發生。「我不相信你可以建造一個可比光更快的飛船。」涅米羅夫說道。儘管如此，他的研究仍具有啟發性。

（本文源自大科技*科學之謎2015年第12期文章）

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