超光速为什么会违反因果律

说到相对论很多人都不陌生，但是普通人对相对论的认知仅仅停留在所谓的超越光速会让时间倒流这样的观点上。那么相对论中各种感觉上似乎很神奇的现象到底是如何解释的呢？

今天我就用一种相对通俗易懂的方式来帮助大家理解狭义相对论中的一个观点：
超光速会违反因果律，因此现实中不存在超光速的信息载体

首先说明几点：

1. 讨论范围仅限狭义相对论
2. 超光速并非通常我们理解的一个物体的运动速度超过光速，而是信息载体的传递速度超过光速。为什么这么说呢，因为不包含信息的物质是可以超光速的，如影子。之后所说的所有物体都指信息载体。
3. 所谓相对通俗易懂的方式，我的理解是不使用数学运算来演算证明。注意，是相对，该方法是物理学中常会使用的方法，只是我讲的稍微通俗一点，所以还是劳驾您动一下脑子。

时空图

首先，我们引入一个重要概念叫做时空图
这个东西就和我们平时了解的坐标系是一样的，只不过他的横轴代表空间，纵轴代表时间。时空图上的线称为世界线。粒子在四维时空中的运动轨迹即为世界线。

我们举个栗子：现在我在地面上，从我的视角观察一辆汽车从我站的地方向右手边开去，这辆车在时空图上的世界线就是这样的。（因为时间在流逝，距离也在增加对不对）

汽车世界线

光的世界线

其次，我们说明一下，光在时空图中的世界线是什么样的。
由于x=vt，我们知道光的速度是非常快的，如果我们直接把光速v=300000带入，这个图画出来是很难看的，也不方便其他的计算和问题探讨，因此在这里我们把光速假定为1单位，t与x也是1单位，这样一来，我往右边射一道光线出去，那么这道光的世界线就是这样的。（斜率为45度的一条线）

光的世界线

那我再往左边射一道光线，同理也会有一条世界线，这两条世界线构成了光锥。

光锥

关于光锥我们不继续讨论，我们只要知道物体运动速度不会超过光速的，因此，所有 以这个惯性坐标系为参照对象的世界线都位于光锥之间。

好丑的世界线

注意上面的粗体字是什么意思呢，我们都知道选择不同参照物观察到的现象都是不同的，我站在原地，看到汽车往右边开走；如果以汽车为参照系，那我就是在往左边运动。所以以我为参照物建立惯性坐标系的话，所有我观测的物体都不会超光速。但是当以我为参考去观察别人是如何观察别人的时候，就不一定了。（正所谓你在看风景，看风景的人在看你）时空图的作用就是把你看到的风景和别人看到的风景放在一张图上比较。

现在我们来开个脑洞

假设有两辆火车，绿色火车停在原地，红色火车从左边高速通过，当两车的中点相遇的瞬间，红色火车瞬间向左右两边放出两道光线。车头车尾分别有面镜子，光线射到镜子立马就射回来。

火车发光

好，我们先不看整个系统，先看红色火车，我们以红色火车为参照物建立坐标系。假如我是红色火车，我是静止的对不对，绿色火车在朝我驶来，当它车厢中点经过我的中点，我就马上射=。=因为光速是不变的，我同时射出，那么镜子反射回来两边的光线一定是同时到达中点的对不对？
由于我太长了，我就取我的车头和车屁股，那这时候我的世界线是什么样的呢？就是这两条红线对不对？因为我是静止的，所以X不变。光线也是同时回到了中点。这都是完全对称的。

红色火车世界线

接着再来看绿色火车，对于我来说，红色火车在高速向右行驶，所以红色火车两端的世界线如图所示。光速依旧不变，45度直线，然后返回。形成了一个矩形，对角线正好是中点的世界线，咱们三条线都是平行的~

绿色火车世界线

这时候，看图，有没有发现一个问题，那就是，向左的光线比向右的光线更早地到达镜子？因为在绿色火车看来，两条光线同时发出，右边的光线需要去追赶车头的镜子，所以花的时间长；左边的光线追赶镜子的同时，镜子还在高速向他靠拢，所以花的时间就短。

前方重点：

可是红色火车看来，光线是同时到达两端的呀？这就是相对论所说的，在一个坐标系看起来是同时的运动在另一个坐标系是不同时的。（所以说每个人眼里的世界都是不同的，这在物理上也是成立的）

至此，一定要记住，你认为同时的事情，别人不一定这么认为！**所以改变一下世界观，我们讨论的范围是狭义相对论，不要被日常生活中的固有观念卡住思路。开个脑洞好吗。

因此相对于绿色火车来说，对于红色火车光线同一时间到达镜子的点所练成的线，称为同时线。其物理意义在于这条线上所有的点对于红色火车来说都是同时发生的。

绿色火车坐标系下的红色火车的同时线

同样的，这条线在红色火车坐标系下就是这样的。

红色火车坐标系下的红色火车的同时线

如果到这里为止都理解了，那么我们就可以来论证我们的题目了。

超光速为什么会违反因果律

最后一个脑洞：

假设A是你，B是你的仆人，她为你做饭。你们身边各有一台机器可以在瞬间传输食物。你每天都在想要吃饭还是吃面，一旦你下决定，只要你告诉B，B就可以瞬间把面或者饭传送给你。但问题是你怎么告诉B呢？
这时候我们需要一辆小火车（怎么又是火车。。），火车非常地长，它从远方开来，经过B之后会再经过A你。火车有一个特性是一旦车上有任何一个人获得一个信息，这个信息就会瞬间传遍整个车厢。
好，有了这么个神奇的火车，你就可以用它来告诉B你要吃什么了。

有一天，火车开来了，你不断在想啊想我到底要吃什么，突然，你想到你要吃面了！你立马和火车上的一个人说，下面给我吃！
下面给我吃...给我吃...吃...这个信息瞬间传遍车厢，然后恰巧火车上有个人F正好经过B，于是他对B说，下面给我吃！
B一听，立马下了碗面给A瞬间传送了过去。

地面坐标系下的红色火车的世界线&同时线

此时，两条红色的世界线就是在当时经过A,B两点的人的世界线。先前铺垫这么多就是为了在这里说明，红色虚线所表示的是地面坐标系下，对于红色火车来说的同时线，即图中两处交点是同一时刻的，他的同时线不是平行于X轴的哦注意。那么当B收到信号后，瞬间传送回去，对于B来说他是地面坐标系的，因此他的同时线是平行于X轴的黑色虚线。
那么问题又来了，黑虚线与A线交点的t值竟然比红虚线与A线交点的t值要来得小，也就是时间上更早。说明在A决定要吃什么之前，B就把面给送来了。这就违反了因果律，因此可以说超光速是会违反因果律的。
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