注：來自加拿大皇家軍事學院的天文學家

提問：

我是加州大學伯克利分校的一名大學畢業生，主修數學和經濟學。然而我很喜歡在課外的時間閱讀許多與科學有關的文章，所以我來到了這裡。

無論如何，在這裡我的疑問是——關于“在宇宙膨脹期間，其膨脹速度怎麼比光速還快?”問題的回答——這個問題的答案是克裡斯汀·斯佩肯斯寫的。她在答案中說道，信息不能以超過光速的速度傳播。我不太确定信息到底是什麼意思，但我有一個不能與上述關于信息傳播速度超過光速的斷言相調和的思想實驗。

假設我住在地球上，而我有一個朋友住在冥王星上。如果我想給他發信息的話，可以通過無線電發送，但是信息到達他那裡的速度不會超過光速，況且光速從地球到達冥王星還需要幾分鐘的時間。然而，假設我有一根非常非常長的棍子，從地球一直伸到冥王星。如果我想給我的朋友發信息，我可以用這根棍子在冥王星表面敲出摩斯密碼，這樣幾乎立刻就能做到信息的傳送。通過這種方式，我傳輸信息的速度遠遠超過了光速。

我想問的是這個實驗有什麼問題嗎？你是如何調和這個實驗和上面的主張的呢？

回答：

很不幸的是，你通過用木棍敲擊的想法并不會讓你與你的朋友實現超越光速的交流。當你敲擊一根棍子時，“敲擊”的結果是一個波通過棍子從你的一端傳到了另一端。為了能夠看到這一點，請嘗試下面這個實驗：找來一個朋友，站在距離你幾英尺遠的地方，你們各自拿着繩子的一端，閉上眼睛。讓你的朋友搖動繩子的一端，你的任務就是當你感覺到搖動時就告訴他。當你們相距隻有幾英尺時，你知道了“瞬間”的感覺，那是因為你朋友發送的波沿着繩子傳播的速度比一秒鐘幾英尺的速度要快得多。

那麼接下來讓我們嘗試同樣的事情，但這次是在足球場的兩邊。現在，波需要幾秒鐘才能到達你那裡，所以在你朋友的搖動和你的反應之間會有一段時間的延遲。然後如果你把一根繩子變得更密集、堅固的話，那麼你就得到了你所舉的例子中的棍子：它們之間的物理學原理是一樣的。所以，從地球到冥王星将需要花費一定的時間。那麼波穿過棍子時的最大速度是多少呢？當然是光速！

我們可以試着用更絕妙的方法來嘗試比光速更快的交流速度：假設你在冥王星上的朋友有一個非常靈敏的探測器，可以在冥王星上探測到由地球引起的微小引力變化。為了與他溝通，你開發了一種可以改變兩個星球之間距離的技術。此時你那個一直呆在冥王星上的朋友在儀表上檢測到了引力的變化，然後你繼續“擺動”地球來“敲出”摩斯密碼的組合，那是瞬間的嗎？

很顯然答案是否定的: 引力也以光速傳播！盡管還沒有被直接探測到，但是在去年10月的一個實驗中，攜帶有關于物體周圍引力場的波（引力波）被證明是以光速傳播的，這個實驗涉及到類星體的光在木星周圍的彎曲（這個結果仍然有些争議，不過，可以來看看這篇文章的詳細解答）。

從你敲擊棒子的材料到引力波，甚至當光不被用于交流時，由于一些人們還沒有弄清楚的原因，光速似乎是物理學每一個分支的基本限制。這就是為什麼我在之前的回答中使用了“信息”這個詞，因為發送信息的方式比簡單地發送光信号要多得多。

而且，隻要你沒有把信息一起發送出去，讓物體的運動速度超過光速也沒什麼壞處。最後舉一個例子，想象你在一個擠滿了人的足球場裡，他們正在做“波”的運動。這種現象的産生是因為當你看到你旁邊的人站起來時你也站了起來，這樣一個波就會在體育場周圍傳播。如果你用這種方式做“波”，它在體育場裡傳播的最快速度是光速，因為你必須根據你旁邊的人的提示來站起來（或者是按下一個按鈕，或者喊，或者站立時間長一點時間），但這隻能以光速傳播。然而，假設體育場經理想做一場真正壯觀的表演，并給觀衆席上的每個人一張紙，上面寫着站立的确切時間。

原則上，你可以讓波浪任意快速移動，就像你可以告訴人們在任意時間起床。所以通過時間的精确協調，你可以讓波速超過光速。這是否違背了最基本的物理定律？不，因為通過給每個人一張紙而産生的精心策劃的浪潮裡沒有任何信息: 你事先在紙上給了他們信息(什麼時候站起來)。在極端情況下，你可以在紙上告訴每個人同一時間站立，因為你預先告訴他們什麼時候站立，“無限”快波根本不違反物理學。在“真實”波中，當你從旁邊的人那裡得到提示時，什麼時候站立的信息隻能以光速傳播。

假設同樣的“棍子”(在地球和冥王星之間)被推拉(用莫爾斯電碼) ，而不是輕擊... 是固體，難道整個“棍子”不會同時移動嗎？很明顯，棍子不會以光速移動，但是(在我看來) ，正在發送/接收的信息會以光速傳播。

不幸的是，你的想法也不能解決光速有限的問題！下次你在遊泳池(或者靠近水的地方)時，站在離池邊一兩英尺的地方，用手去“推”水; 被“推”的水不會馬上到達池壁，而是要花一些時間才能到達那裡。本質上，你“推”的動作在水中引發了一個波，把推力帶到了邊緣。同樣的事情也發生在固體物體上，雖然你沒有注意到，但是一個“推力”通過一個類似于水中的波到達了棍子的另一邊，而且你使棍子越“堅固”，這個波走得就越快。然而，據我們所知，波在固體中的最大速度是光速。因此，即使你推拉棍子而不是輕敲它，你仍然隻能以光速傳輸信息。

試圖用一根長棍子來實現比光速更快地交流是一個相當普遍的想法，但是它不起作用。

BY: Kristine Spekkens

FY: 藍多多

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