我能超光速通訊嗎？（高階）

很棒的網(wǎng)站！我是一名剛從加州大學(xué)伯克利分校畢業(yè)的學(xué)生，主修數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)雙學(xué)位。不過我也很喜歡在課外閱讀科學(xué)類話題，所以來到了這里。

我的問題是關(guān)于《"宇宙如何在暴脹期間以超光速膨脹？"》這個回答的。該回答由Kristine Spekkens撰寫，其中提到信息無法以超光速傳播。我不太確定"信息"具體指什么，但我構(gòu)思了一個思想實(shí)驗，似乎與這個超光速傳播信息的論斷存在矛盾。

假設(shè)我住在地球，有個朋友住在冥王星。如果我想給他發(fā)信息，可以通過無線電傳送，但信息傳輸速度不會超過光速，需要幾分鐘才能到達(dá)冥王星。但假如現(xiàn)在我有一根長得不可思議的棍子，直接從地球延伸到冥王星。這時要給朋友發(fā)送信息，我只需要用棍子輕敲冥王星表面，用摩爾斯電碼就能近乎即時地傳遞信息。這樣我就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)超光速的信息傳輸。

這個實(shí)驗存在什么問題嗎？該如何解釋這個現(xiàn)象？

可惜的是，你設(shè)想的通過敲擊木棍與朋友交流的方式，其信息傳遞速度依然無法超越光速。當(dāng)你敲擊木棍時，"敲擊動作"實(shí)質(zhì)是以機(jī)械波的形式從你這一端傳播到另一端?？梢酝ㄟ^這個實(shí)驗驗證：找一位朋友，你們相隔數(shù)英尺拉住繩子兩端并閉上眼睛。讓朋友快速抖動他手中的繩端，你的任務(wù)是在感受到抖動時立即告知對方。當(dāng)距離僅數(shù)英尺時，你們會感覺反應(yīng)"瞬間同步"，因為繩波傳播速度遠(yuǎn)超這個距離。但若換成足球場兩端進(jìn)行同樣實(shí)驗，繩波需要數(shù)秒才能傳遞到你手中，此時朋友抖動繩端與你的反應(yīng)就會出現(xiàn)明顯延遲。而當(dāng)你把繩子替換成密度更大、剛性更強(qiáng)的材質(zhì)時——就像你舉例中的木棍——其物理本質(zhì)并未改變。因此，從地球到木星的"敲擊信號"必然存在時間延遲。那么這個機(jī)械波的極限傳播速度是多少？答案正是光速！

我們可以嘗試更加迂回的方式來實(shí)現(xiàn)超光速通信：假設(shè)你在冥王星上的朋友擁有一臺極其靈敏的探測器，能夠捕捉地球引力在冥王星造成的微小波動。為了與他通信，你研發(fā)出一種能改變兩顆行星間距的技術(shù)。你的朋友通過冥王星上的儀器接收這種波動，而你則通過"擺動"地球形成某種摩爾斯電碼。這樣信息不就實(shí)現(xiàn)瞬時傳遞了嗎？

事實(shí)證明，答案再次是否定的：引力同樣以光速傳播！盡管尚未被直接探測到，但去年十月一項利用類星體光線在木星周圍彎曲的實(shí)驗證實(shí)，傳遞物體周圍引力場信息的引力波確實(shí)以光速傳播（不過該結(jié)論仍存在爭議，詳見此帖子的解答）。

出于人們尚未完全理解的原因，光速似乎構(gòu)成了物理學(xué)各領(lǐng)域的基本極限——從你敲擊的棍棒材質(zhì)到引力波皆然，即便在沒有使用光進(jìn)行通信的情況下亦是如此。這便是我在前文回答中使用"信息"這一術(shù)語的緣由，畢竟傳遞信息的方式遠(yuǎn)不止發(fā)送光信號這一種途徑。

而且，讓某種東西的運(yùn)動速度超過光速并無妨害，只要你不通過它傳遞信息即可。最后一個例子：假設(shè)你身處座無虛席的足球場，觀眾們正在制造"人浪"。這種現(xiàn)象的形成機(jī)制是當(dāng)你看見身旁的人起立時隨即站起，使得波浪形動作能夠環(huán)繞整個體育場持續(xù)傳播。若以此種方式制造人浪，其環(huán)繞體育場的傳播速度極限只能是光速，因為你必須根據(jù)鄰座觀眾的動作提示（比如通過觀察其起立時機(jī)，若起立耗時過長則可改為按鈕提示）來決定自身動作，而這種提示信號的傳遞速度無法超越光速。但倘若體育場管理者希望打造一場真正震撼的表演，給每位觀眾發(fā)放標(biāo)注精確起立時間的紙條。

理論上，此時人浪的傳播速度可以無限提升，因為你可以任意設(shè)定觀眾的起立時間。通過這種精確的時間協(xié)調(diào)，你就能制造出超光速的人浪。這是否違背了物理學(xué)最基本的定律？答案是否定的——因為通過紙條預(yù)先告知每位觀眾起立時間所編排的人浪并不包含信息傳遞：你早已通過紙條將"何時起立"的信息提前告知了他們。極端情況下，你甚至可以要求所有人在紙條規(guī)定的時間同時起立：既然起立時間信息已提前告知，這種"無限快速"的人浪同樣完全不會違背物理定律。而在依靠觀察鄰座動作的"真實(shí)"人浪中，"何時起立"的信息傳遞速度始終無法超越光速。

假設(shè)同一根"棍子"（地球與冥王星之間）被推拉（以摩爾斯電碼方式）而非敲擊...作為固體，難道整根"棍子"不會同時移動嗎？顯然棍子不會以光速移動，但（在我看來）發(fā)送/接收的信息卻會以光速傳遞。

遺憾的是，你的想法依然無法突破光速限制！下次在泳池（或任何水域）時，可以站在離池邊一兩只遠(yuǎn)的位置用手"推"水——這個"推力"不會瞬間抵達(dá)池壁，而是需要一定時間傳導(dǎo)。本質(zhì)上，你的推動會在水中形成機(jī)械波，將推力傳遞至邊緣。固體中的情形完全同理：雖然難以察覺，但你揮動木棍時，"推力"也是通過類似水波的應(yīng)力波傳遞到另一端的，且材質(zhì)越致密，波速越快。但根據(jù)現(xiàn)有物理認(rèn)知，固體中的機(jī)械波速上限仍是光速。因此即便改用連續(xù)推拉代替敲擊，信息傳遞速度依然無法超越光速屏障。

試圖用長棍實(shí)現(xiàn)超光速通訊是個相當(dāng)常見的想法，但這行不通。

BY: Kristine Spekkens

FY: 多糖小星星

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