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步于此,那么确实可以设计出《星际迷航》里的“亚空间通信”设备,但也仅此而已。事实上,他进一步思考了超光速通信可能带来的后果。他深知狭义相对论里关于超光速通信会产生的各种奇怪的效应。如果可以即时传送信息,就可能出现信息在被发出之前已被接收的情况。因此,把信息传回过去变成了可能。这是一个匪夷所思的断言,所以我们有必要解释一下为什么会这样。解决这个矛盾的最简单的办法分为两步,但这确实有可能,前提是我们必须有一个即时通信器。
1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,狭义相对论结合了运动的基本规律和关于光本身的超前理解。在此之前,苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出,光是电和磁的相互作用。一个运动的电荷会产生磁,同时一个运动的磁体会产生电。变化的电场会产生变化的磁场,变化的磁场又会产生变化的电场,循环往复。整个电磁场理论是一套非常自洽的理论。
电场和磁场的相互转换过程只在一定速度的前提下才有可能成立,这个速度经过计算就是光速,这也证明了“光是一种电磁波”的结论。爱因斯坦用一个思想实验进一步探索了这个概念。他假设自己同一束阳光一起穿过太空。(据说这个实验是在一个公园的草坪上完成的。爱因斯坦懒洋洋地躺在草坪上,阳光洒向他的眼睛。)当时还年轻的爱因斯坦想,如果他和阳光同速运动,那么以他的视角来看,太阳光是静止的。于是,问题出现了。
如果光不是以光速运动,它就不存在了。电场和磁场相互转换的过程在其他的速度下都不成立,只在光速下成立。光速在真空中是每秒299 792 458米,也就是每秒18 600英里。(度量值如此精准是因为,米的定义是光一秒走过距离的1/299 792 458)。所以爱因斯坦不能和阳光一起运动,因为如果阳光不运动,它就不存在了。更重要的是,在这个假设的世界中,任何物质一旦以任何速度开始运动,它周围的光都将不复存在。这是通过相对论计算出来的,但它不是爱因斯坦的“拓展”版,而是伽利略的“原始”版。
在伽利略的相对论中,两个物体互相靠近的速度可以相加。比如,两辆车做相向运动,每辆车的速度都是每小时50英里,那么从一辆车的角度看另一辆车,速度都是每小时100英里,也就是两辆车的速度之和。同样,如果两辆车以相同的速度同向运动,那么从一辆车的角度看,另一辆车是静止的。如果两辆车沿同一路径做同向运动,人可以轻松地从一辆车迈到另一辆车上去。
依照伽利略的相对论,在一个运动的人眼里,光速要么加快、要么减慢,这取决于观察者的运动方向。但是,爱因斯坦意识到这是不对的。光和其他所有东西都不同。不管我们以什么速度向着光或者背着光运动,光速在真空中都是每秒299 792 458米。在分析光的运动时,相对论需要做出修改才能解释光的特殊本质。当爱因斯坦为合理地处理光速问题进行计算时,他发现了一些奇怪的物理现象。这里让我们最感兴趣的一个例子就是,在高速运动的宇宙飞船上时间会过得比较慢。
我们通常认为相对论非常复杂,解释它的方程式肯定也繁复无比。对于广义相对论来说确实如此,特别是计算重力的公式,就连爱因斯坦也需要数学家的帮助。但是,狭义相对论的计算公式则非常简单。如果宇宙飞船上的时间为t,那么地球上的时间就是t/1–v2/c2½(v是飞船的速度,c是光速)。飞船的速度越快,公式中的分母就越接近于零,地球经过的时间就越接近于无穷大。这至多是高中数学的运算水平。
我们甚至不需要计算就能知道光的运动对时间可能造成的影响,一个简单的思想实验可以让一切清晰明了。假想一艘宇宙飞船正高速飞离地球,
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