時光能倒流嗎？

本次內容來自系列視頻課程

「一說萬物：現代物理學百年漫談」

第七講：狹義相對論

7.4 時光能倒流嗎？

系列課程介紹

20世紀是物理學的世紀。

在過去一百年中，物理學取得了空前的發展，湧現出很多新想法、新觀念，其影響超越了物理領域，深刻改變了人們對世界的認識。

在《一說萬物：現代物理學百年漫談》中，來自香港科技大學的王一老師將給大家分享這些既深刻又有趣的新想法、新觀念。

每期一個話題、一個概念，講述精巧、富有啟發性。來一起感受思考的樂趣吧！

在穿越小說裡，時光倒流，於是我們可以用現代人的知識去彌補歷史中的遺憾。但是，在物理學中，這樣的事情能成立嗎？如果不能，那為什麼不能？在相對論中，時間已經變成相對的了，那時間的順序有沒有可能被打亂？有沒有可能一個人回到你的過去，去改變你？

其實想一想就能明白，時間是沒有辦法倒流的。假如張三的時間可以倒流，他回到了過去，然後拆散了他的爸爸和媽媽，果真這樣的話，張三又是哪來的呢？如果允許時間倒流，世界上就會出現各種奇奇怪怪的悖論。

當然了，如果狹義相對論中，時間在變成相對的以後，可以發生倒流，那麼狹義相對論也就變成了一個不太自洽的理論。實際上，狹義相對論內在的理論結構是禁止時間倒流的。

首先介紹一個概念：光速是速度的極限。運動的物體不可能從運動速度小於光速加速到光速，然後又加速到超光速。有一個相對論能量公式，它告訴我們一個有質量的物體，當運動起來時，其擁有的能量是

。這個公式大家可能不熟悉，但是如果速度很小，我們做一個近似的話，這個公式的第一項就是著名的E =mc2，，第二項就是我們熟悉的動能1/2mv2，還有很多其他的項。

這個能量的公式告訴我們，如果我們把一個物體加速到非常接近光速，那麼這個物體就擁有了極大的能量。越接近光速，能量越大，直至無窮大。能量是守恆的，這些能量是哪來的？是你花費的能量。而你能花費出的能量是有限的，所以說，你只能讓物體任意的去接近光速，但永遠也不能達到光速，更不能超過光速。從數學上，這對應著一個很有意思的數學結構。

在牛頓力學裡，速度是可以簡單疊加的，v = v1+v2。你在車上扔出一個球，那麼在地上的人看，其速度等於車的速度加上球的速度。但是在相對論裡，速度疊加的公式是不一樣的。我們通常看到的v = v1+v2隻是相對論的一個速度很低的近似而已。相對論裡，速度疊加是一個雙曲反正切公式，如上圖最後一個公式所示。arctanh(v/c)這個量叫快度，當速度等於光速的時候，快度是無窮大的，沒有辦法變得更大了,所以說沒有辦法超過光速，光速是速度的極限。

知道了這一點，我們畫一個時空圖，就發現我們沒有辦法回到過去。起碼在狹義相對論的框架下，我們沒有辦法回到過去。我們再考慮張三，他的運動軌跡是什麼呢？它的運動軌跡在時空圖裡是一條斜率一直大於45度的線。如果不運動，那就是一條豎線，運動了的話，再運動他也逃不出「如來佛的手心」——光錐，即再運動，它的速度也沒有辦法比光速大。只要沒有辦法比光速大，他就不可能逃出光為他設定的限制，他不可能跑到他的過去。

比如說張三，現在處於下圖中這樣一個時空點，從他這個點射向未來的光，為他設定了一個他所能達到的、也就是他所能改變的這樣的時空的一個集合，這樣的集合叫做「未來光錐」。從過去發現他的光，為他設定了一個以前的、可以改變他的任何事件的集合，這樣的集合叫做「過去光錐」。

給大家做一個練習。教育家、思想家張載曾經說過：「為天地立心，為生民立命，為往聖繼絕學，為萬世開太平。」那麼為往聖繼絕學，能繼的絕學都在哪裡呢？能繼的絕學都在過去光錐當中，因為這是可以影響一個人的所有的事情的集合。而為萬世開太平，能開的太平在哪裡呢？都處於未來光錐，因為這是能影響到的所有事情的集合。你沒有辦法跑出未來光錐，更沒有辦法回到過去光錐當中。

導師簡介

王一：中國科學技術大學本科，中國科學院理論物理研究所博士。現任香港科技大學副教授，研究領域為理論宇宙學。近期的主要研究興趣是將物理學中最大的物體和最小的物體聯繫起來，用早期宇宙的遺蹟研究基本粒子物理。其他研究方向還包括早期宇宙模型、暗能量、暗物質、原初黑洞、引力波等。曾獲香港大學教育資助委員會青年學者獎、被學生評選為最喜歡的教師。

系列課程內容

第一講：概述物理學的世紀

1.1 一百年前，我們知道什麼？

1.2 更小：從打地鼠到光電效應

1.3 更高：「上帝」的菜單

1.4 更快：什麼是相對論？

1.5 從簡單的定律到複雜的宇宙

第二講：現代物理學之光

2.1 什麼是現代物理學之光？

2.2 光是粒子還是波動？

2.3 你見過波動著的粒子嗎？

2.4 什麼是波粒二象性？

第三講：漫遊量子世界

3.1 從聊齋志異到量子隧穿

3.2 不確定性原理：拯救世界的大英雄

3.3 非同尋常的測量

3.4 薛丁格貓死了嗎？

第四講：原子

4.1 世界為什麼是由原子組成的？

4.2 花粉顆粒為什麼會跳舞？

4.3 從氫原子到萬物

第五講：熵與信息

5.1 大吃一斤，什麼增加了？

5.2 時間箭頭：誰偷走了你的時間？

5.3 麥克斯韋的妖精教你什麼是新聞

第六講：複雜

6.1 從「兔子函數」到「三生萬物」

6.2 三體星人為什麼算不對飛星？

6.3 海岸線是無窮長的嗎？

第七講：狹義相對論

7.1 鍾變慢，尺縮短

7.2 天涯共此時嗎？

7.3 時空是一回事嗎？

7.4 時光能倒流嗎？

第八講：廣義相對論

8.1 等效原理：引力是幻覺嗎？

8.2 彎曲空間，引力退散

8.3 黑洞：天上一天，地上一年

第九講：宇宙

9.1 晚上天會黑，因為宇宙年齡有限

9.2 什麼是暗物質和暗能量？

9.3 終極理論之夢

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墨子是我國古代著名的思想家、科學家，其思想和成就是我國早期科學萌芽的體現，「墨子沙龍」的建立，旨在傳承、發揚科學傳統，建設崇尚科學的社會氛圍，提升公民科學素養，倡導、弘揚科學精神。科普對象為熱愛科學、有探索精神和好奇心的普通公眾，我們希望能讓具有中學及以上學力的公眾了解、欣賞到當下全球最尖端的科學進展、科學思想。

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