本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
我是一個從加利福尼亞大學伯克利分校畢業的本科生，我在大學裡修了數學與經濟學雙專業。平時，我很喜歡讀一些專業外的科學類文章，所以找到了這個網站。
話說回來，我的疑惑是關於問題「宇宙在暴脹期間如何以比光速快的速度膨脹？」的一則回答。在這則由克裡斯汀·斯皮克恩斯的回答中，她提到「信息的傳播速度不能超過光速」。雖然我不太確定「信息」到底是什麼意思，但是我想到了一個與她描述相悖的思想實驗。
假設我住在地球上，我有個朋友住在冥王星上。如果我要向他發一條信息，我通常可以用無線電與他聯繫，但是無線電的傳播速度不能超過光速，所以信息需要好幾分鐘才能到達冥王星。然而，假設我有一根很長很長的杆子，從地球一直連接到冥王星。如果我想向他發一條信息，我需要做的僅是敲擊杆子，消息就能通過摩爾斯電碼瞬間傳遞到冥王星。以這種方式，信息的傳播速度會比光速快得多。
請問我的思想實驗哪裡出了錯？如果沒有問題，那怎麼樣同時解釋「信息的傳播速度不能超過光速」和這個思想實驗呢？
很抱歉地告訴你，通過敲擊杆子的方式並不會讓信息傳遞的速度超過光速。杆子的震動其實是波從一端傳播到另一端。為了使這個更直觀，你可以試試下面這個實驗：讓你的朋友站在幾米遠的地方搖動一根繩子，你的任務是告訴他什麼時候感受到繩子的運動。當你們倆的距離只有幾米遠的時候，你會「瞬間」感受到繩子的運動，這是因為波從一端傳遞至距離幾米的另一端的時間還不足一秒。
接下來，讓你和你的朋友分別站在足球場的兩端，重複剛才的實驗。這次，因為距離變長，波從一端傳播到另一端需要花上好幾秒，所以你感受到的繩子的運動會發生延遲。如果這是一根硬度很高的繩子，那這根繩子就可以視作為杆子：兩者的物理原理是相同的。因此，杆子的震動從地球傳遞到冥王星需要一定時間。而波能在杆子上傳播的最大速度是什麼呢？當然是光速！
想要能夠超越光速地傳播信息，我們甚至可以耍一些小花招：假設那位冥王星的朋友有一個非常靈敏的探測器，它能夠捕捉到地球對冥王星施加的引力的微小變化。為了與你的朋友交流，你發明了能夠改變兩顆行星之間距離的一項技術。由於距離的改變，引力大小也隨之改變。因此，在遙遠的冥王星，你的朋友可以通過他的探測器捕捉到這個改變。接下來，你將地球的「擺動」設計成某種摩斯電碼就可以實現信息的傳遞。通過這種方法，我們是不是能夠「瞬間」傳遞信息了？
對不起，答案是不能。因為引力也以光速傳播！即使引力波還沒有被直接探測到（該回答發表於2003年），但是在去年10月的一次實驗中，科學家已經證明引力波（載有物體周圍引力場信息的波）以光速傳播，這次實驗是關於類星體的光線在通過木星的強引力場時發生的彎曲。
出於某些原因，光速似乎是物理學每個分支的基本極限值，從杆子的震動到引力波，即使光不用來通信的情況下也是如此。這就是為什麼我在之前的回答中使用「信息」一詞，因為除了通過用光傳遞信息之外，還有其它的方式傳遞信息。
而且，只要不涉及信息的傳遞，你完全可以使某物以比光速更快的速度運動。最後舉一個例子，想像你在一個擠滿了人的足球場中，他們在製造一個「波」：當你看到你旁邊人起立時，你也緊跟著站起來，因此這個「波」就會傳遞到整個足球場。如果你製造這樣一個「波」，這個「波」在足球場裡運動的最快速度是光速，因為你需要接受到身邊人起立的信號才站起來，所以「波」傳遞的速度不能超過光速。不過，假設足球場管理員想要進行一場壯觀的表演，他發給每位觀眾一張紙，上面寫有精確的站立時間。
那麼從原則上講，這個「波」能夠以任意速度前進，因為管理員可以任意安排每位觀眾的站立時間。因此，通過仔細地調整，「波」的傳播速度將快於光速。這是否違背了物理學的最基本定律？不！因為這個精心策劃的「波」中不含有任何信息：管理員事先在紙上給出了信息（何時站起來）。想像一個更極端的情況，每位觀眾的紙上寫著由管理員告知的相同起立時間。由於管理員早已向他們提供了何時站立的信息，所以這個超越光速的「波」根本不會違反物理學：在這個波裡，沒有任何信息的傳遞。而真實情況是，你需要從旁邊的人那裡接收到信號時，而有關何時站立的信息最快只能光速傳播。
我們再回到杆子和那位冥王星的朋友。假設你是推拉（地球和冥王星之間的）一根「杆子」（用摩爾斯電碼編碼），而不是敲擊它，整個「杆子」會不會同時移動呢？顯然，杆子不會以光速運動，但是發送或接收的信息看起來將會以光速傳遞。
不幸的是，這個想法也不會打破光速的限制！下次當你進入遊泳池（或靠近水的地方）時，站在距離牆一兩米的位置，然後用手「推」水。你會發現，水並沒有立刻被「推」向牆邊，而是花了一些時間才能到達那裡。實際上，你的「推動」會在水中引起波，這個波將「推動」的信號帶到牆邊。對於固體來說，這一過程是完全相同的。儘管你沒有注意到它，但是類似於在水中的波浪，「推拉」杆子所傳遞的信息也會通過波被帶到另一端，並且杆子越堅固，波傳遞速度越快。無論如何，據我們所知，固體中波的最大速度就是光速。因此，無論是推拉杆子還是敲擊杆子，信息的傳遞速度仍然限制在光速以內。
作者：Kristine Spekkens
FY: Gogo
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