我们为什么不能超过光速?
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发布时间：2022-04-22 20:23
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时间：2023-10-27 15:08
在第一章的第一节中已经提到，根据狭义相对论的速度变换公式，运动速度低于光速的物质粒子不可能通过加速或速度变换而达到超光速。又根据狭义相对论质量变换公式：
其中：m0、m分别为粒子在静止时及以速度v运动时的质量，c为光速。当粒子速度v→c时，其质量m→∞，因而爱因斯坦曾经断言，大于光速的速度是不存在的,光速成为粒子的速度极限。但后来人们通过进一步的理论分析认为，狭义相对论只说明原来运动速度小于或等于光速的物质粒子不可能通过加速或速度变换而达到超光速，狭义相对论却不能排除自然界中本来就存在超光速粒子。这种速度本来就大于光速的物质粒子同速度本来就低于光速的物质粒子相类似，其速度也不能通过减速或速度变换而低于光速，光速仍然是一种特征速度。人们把这种速度始终都超过光速的粒子称为快子。
在人们确立了自然界应该存在快子的信念以后，便开始了检验快子是否存在的一系列实验，并企图在宇宙射线中找到快子的踪迹，但始终没有成功。为什么理论上存在快子但又探测不到快子呢?笔者认为这是由于人们还没有正确地认识快子所造成的。
人们仍然按照狭义相对论质量变换公式来分析快子,因快子速度v>c，因而m为虚数。为使快子的质量m为实数，便硬性规定快子的静止质量m0为虚数。这种分析显然是不正确的。快子是自然界中速度本来就大于光速的粒子，它不存在静止状态，故无从谈起静止质量，它也不存在从静止状态到超光速v的变换，所以上式对快子没有意义。
（二）、快子的质量特性
要正确地分析研究快子，就必须另想办法。20世纪60年代以来发展起来的孤立子理论为研究快子开辟了新途径。
由第一章第四节所介绍的孤立子理论可知，孤立子和物质粒子具有相似的性质，并且孤立子已经获得了快子解。因而我们可以借助于孤立子的快子解来研究自然界中的物质粒子—快子。
根据相对论性的主手征场方程的孤立子解（参见前苏联B．E扎哈罗夫等著的《孤子理论》，第236、237页），孤立子的运动速度为：
(1)
质量为：
(2)
式中，。
当(a1-a2)(b1-b2)>0时,｜v｜<1、M2>0，孤立子为普通孤立子（因采用自然单位，光速c＝1），孤立子的速度v小于光速c，质量M为实数；当(a1-a2)(b1-b2)<0时,｜v｜>1、M2<0，孤立子的速度v大于光速c，孤立子为快子，质量M为虚数。
普通孤立子速度小于光速、质量为实数，与普通物质粒子速度小于光速、质量为实数相对应。而孤立子中的快子速度大于光速、质量为虚数表明，如果自然界中存在快子，则快子的质量亦必然为虚数。相应地，快子的动量及能量也应为虚数。
关于为什么普通实物粒子的质量、能量为实数，快子的质量、能量为虚数的问题，以及它们的更进一步的物理意义，将在第五章“物质的本质”中详细探讨。
快子的质量、能量为虚数，决定了快子会具有很多与质量、能量为实数的普通物质粒子所不同的奇异特性。
（三）、快子与普通实物粒子之间的相互作用
现在分析一质量为M1=m1、速度为v1的普通实物粒子（简称为实子）与一质量为M2=im2、速度为v2的快子发生对撞的情形。
假设碰撞后实子及快子的质量及速度分别变为m1/、v1/.及im2/、m2/、.根据动量守恒定律有：
因等式两侧为复数，故要使等式成立，等式两侧的实数部分与虚数部分须分别相等。即：
；
因对于某一特定的物质粒子，该粒子的质量仅由其速度决定，从而有：
，；，
根据能量守恒定律，，也可得出上式。
这表明实子与快子碰撞前后没有发生任何变化，亦即实子与快子不能发生相互作用，包括电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用等。
下面我们应用牛顿万有引力定律来定性分析引力作用的情形。
两实子间的万有引力为：
实
两快子间的万有引力：
f快
f快与f实符号相反，因而它表现为斥力，从而快子周围的“引力场”是斥力场。
实子m与快子im间的万有引力为：
这个力是虚数，说明万有引力定律有一定的局限性。
根据广义相对论，自由粒子在引力场中的运动由引力场的短程线方程确定，该方程与在引力场中运动的粒子无关。故无论粒子是实子还是快子，它们在同一引力场中的短程线都是一样的，而短程线反映了粒子所受引力的情况。所以粒子在引力场中所受的“引力”与该粒子是实子或快子无关。即实子对快子的万有引力仍表现为引力，快子对实子的万有引力也仍表现为斥力。可见实子、快子间的万有引力就不单纯是引力或斥力了。这正是由牛顿万有引力定律所推出的这个力是虚数的原因所在。
如果认为快子和实子可以通过万有引力场发生相互作用，又似乎与前面依据动量守恒定律和能量守恒定律所得出的快子和实子不能发生相互作用的结论相矛盾。但实际上这是不矛盾的，因为在广义相对论中，动量、能量守恒定律不能单独地应用于物质，还要考虑到物质和引力场间转移的动量和能量（A.爱因斯坦等《相对论原理—狭义相对论和广义相对论经典论文集》）科学出版社1980年2月第一版130、131页）。
快子与实子之间虽然存在万有引力，但这个力太小了，它仅相当于电磁相互作用的10-37倍，因而通常表现不出来。
快子与实子之间不能发生除万有引力以外的其它各种相互作用，而它们之间的万有引力又表现不出来，因而快子相对于我们所司空见惯的实子来说是一种*物质，这正是我们感觉不到快子的存在，观测实验也探测不到快子的根本原因。
快子是一种*物质，这是否说明快子对我们来说没有什么实际意义呢？从第三章的讨论可以看出，快子在人的生命过程中起着举足轻重的作用。
（四）、快子的质量—速度关系式
前面已指出，适用于实子的质量变换公式不适用于快子，那么快子的质速关系式又怎样呢?
设有两孤立子其质量和速度分别为M、v和M/、v/。根据孤立子的速度和质量关系表达式（1)、(2)，它们的速度和质量可分别表示为
及
当v=v/时，有
即
=
上式表示对于任意两孤立子M、M/，无论它们的速度为多大，只要它们的速度相等，则其质量之比等于或，设它们静止时的质量即静止质量分别为m0和m0/，则有
（3）
对于普通实物粒子,根据狭义相对论,当v=v/时，有
（4）
对比（3）、（4）两式可知,孤立子的质量与普通物质粒子的质量有着极为相似的特点。根据普通物质粒子的质量速度关系，现来分析如何将孤立子的质量表示成静止质量与速度的关系。
将v=0代入（1）式，
则孤立子的静止质量为
从而有
将其代入孤立子质量表达式
（5）
根据式（5）我们可对孤立子的质量与速度的关系分析如下：
1、当v=0时，M2=m02
2、当1>v>0（这里采用自然单位，如采用国际单位，即c>v>0）时，因,所以，M2>0,孤立子为普通孤立子，质量为实数。
3、当v=1时，有
即，从而M2=∞，亦即当v→1时，M2→∞。
可见普通孤立子的质量与速度的关系与普通物质粒子完全相同。下面我们作进一步的分析：
1、当v>1时，因，所以，M2<0,孤立子为快子，质量为虚数。
2、当v=∞时，有
即，M2=-m02.即当v→∞时，M2→-m02=(im0)2,可见，当孤立子的速度趋于无穷大时，孤立子的质量并不趋于0，它趋于一个有限值im0,记为m∞=im0,我们可将其称为快子的无穷质量。
根据上述分析，孤立子的质量速度关系可以表示为
当v<1时，F(v)>0，当v>1时，F(v)<0。
或进一步将普通孤立子的质量速度关系表示为
（6）
快子的质量速度关系表示为
（7）
现在我们再假设质量为M=m、速度为v的孤立子为普通孤立子，质量为M/=im/、速度为的孤立子为快子，当vv/=1时，有
由式（5）得
（8）
即对于孤立子，当vv/=1时，普通孤立子的质量的平方与快子质量的平方的比等于普通孤立子的静止质量的平方与快子的无穷质量的平方的比。
对于物质粒子，当vv/=1时，将自然单位换算成国际单位，即vv/=c2时，普通物质粒子与快子的质量也应具有这种关系。
根据狭义相对论，普通物质粒子的质量速度关系为
如果将这一关系直接推广到快子，则当v>c时，
快子的质量不仅为虚数，而且还为负数，这与前面的结论不符；并且，当v→∞，快子的质量m→0，这也与前面的结论不符；当vv/=c2时，普通物质粒子质量的平方与快子质量的平方的比也不等于普通物质粒子静止质量的平方与快子无穷质量的平方的比，也与前面的结论不符。所以适用于普通物质粒子的质量速度关系并不适用于快子，不能将狭义相对论的普通物质粒子的质量速度关系直接推广到快子。
现在我们利用式（6）、（7）来讨论快子的质量速度关系式。将普通实物粒子的质量速度关系表示为,,快子的质量速度关系表示为。
则有
由式（8），当vv/=c2时，,从而，f/(v/)=f(v).将vv/=c2,代入得
所以适用于快子的质量速度关系式为
将其写成一般形式为：
（9）
质量
实子快子
0vc速度
图2－1
快子与实子的质量和速度的关系
其中，m=i|m|为快子以速度v运动时的质量，m∞=i|m∞|为快子速度趋于无穷大时的极限质量，这是一个有限质量。可见，快子速度越大，其质量的模越小，当其速度趋于无穷大时，其质量趋于一个有限值。而当其速度减小时，其质量的模反而增大，当其速度趋于光速c时，其质量也趋于无穷大。从图2-1可以看出，快子与实子的质量和速度的关系有着很好的对称性，并且，光速成为快子和实子不可逾越的速度分界线。
二、快子束缚态—虚子
在第一章里我们了解到，原子是带正电的原子核和带负电的电子结合在一起而形成的束缚态；而质子、中子紧密结合在一起构成紧密结合体，形成原子核。强子（包括质子、中子、介子、超子、共振态以及它们的反粒子）则由夸克以及它们的反夸克以不同的方式结合而成。由此我们可以推断，快子也应能通过某种相互作用而结合在一起，构成束缚态。
（一）、虚子的性质
现将由快子构成的束缚态称之为虚子。它因由质量为虚数的快子构成，故其质量也为虚数。因而虚子也像快子一样，不能与实子发生除万有引力作用以外的其它相互作用，所以虚子相对于实子世界也是*的。虚子周围的万有引力场也是斥力场，并受实子吸引。
虚子同快子的不同之处在于，虚子的运动速度不一定是超光速而可为亚光速。因为组成虚子的快子可以绕某一中心旋转，虽然单个快子的速度为超光速，但它们的旋转中心的速度（即虚子的运动速度）却可以低于光速。就像由一个电子和一个质子组成的束缚态—氢原子一样，虽然电子的运动速度v可以很高，但氢原子的运动速度v0却可以很小，甚至可以为零而处于静止，如图2－2所示。
又如天文观测所发现的双星，虽然组成双星的每个单星的运动速度都可以很高，但由其所组成的双星的运动速度，即双星的旋转中心（或者说质量中心）的运动速度却可以相对较低，如图2－3所示。
为便于方便、直观地说明问题，以上所举的情形都是双体结构。其实对于多体结构情形完全一样，如其它原子及星团等。
虚子的运动速度可以低于光速,并且虚子又受实子吸引，这表明虚子可以滞留在地球上。又因虚子周围是斥力场，实子周围是引力场，而地球周围是很强的引力场，所以既使地球上存在虚子，虚子的总量也要比实子少得多。
由于虚子之间的万有引力是斥力，所以虚子不可能像实子那样大量地聚集在一起而形成单纯由虚子组成的天体，它们只能弥漫于宇宙空间之中，或部分地被由实子组成的天体所吸附。既便如此，天体内的实子总量仍要远大于虚子的总量，因为天体内起主导作用的万有引力是引力而不是斥力。
（二）、虚子在地球上的分布
虚子不能与实子发生其它相互作用，但却受地球引力的吸引，那么虚子是否会毫无阻碍地被吸向地心而集中在地心附近呢?事实不是如此。
考虑某一时刻在a1处或a2处静止的单个虚子的运动，如图2－4所示，假设它不与其它虚子碰撞（与实子碰撞不影响其运动），那么由于它自身的惯性及地球的吸引，它将以地心为中心在a1与a2之间作振荡运动，在a1与a2处该虚子的速度为零，在地心处速度最大，并且在地心处继续向前运动。当然,如果地球上存在虚子，那么就不会只存在一个虚子，虽然其总量要比实子少得多，但仍然会有大量虚子存在。这样虚子在运动过程中会相互碰撞。而且，虚子之间的碰撞会不断地发生，就像地球大气层中的气态分子之间的相互碰撞一样，最终形成一个“热平衡”。所以总的来说，地球上的虚子是按图2－5的方式在地球上分布的。其外部较内部会稀疏些。
（三）、虚子论与太极图
“国外一位学者曾说过，宇宙间存在着一种未知的物质，在不同的时期和不同的民族都有所发现，目前世界对这种未知物质约有100多种名称。这种物质在中国称之为气，并贯穿于中国古今文化之中。”（《中国气功》1997年第11期“气文化·中医学·气功”广州第一军医大学中医系副教授陈达理）
中国古代早就有了宇宙间存在阴阳两种物质的论断。易经以阴阳演绎八卦，阐述了宇宙间的万事万物相反相成、相生相克；《道德经》认为“万物扶阴而抱阳”；《内经•阴阳应象大论》说：“阴阳者，天地之道也，万物之纲纪，变化之父母，生杀之本始，神明之府也。”这里神明指宇宙间物质世界的无穷变化。这些论断都指出宇宙万物有阴就有阳，反之，有阳就有阴。物质世界就是在阴阳的相反相成、相生相克中发展变化。中国传统文化的太极图深刻、形象地说明了这种思想，如图2—6所示。
太极图的阴极，即阴影部分，代表阴性物质，太极图的阳极，代表阳性物质，阴、阳极内的两个圆圈代表阴阳互生，即阴生阳、阳生阴。阴阳的相互消长，生化了宇宙万物。
在我们生活的现实世界里，“万物扶阴而抱阳”的例子是随处可见的：天为阳、地为阴；日为阳、月为阴；男为阳、女为阴；粒子为阳、波动为阴；上为阳，下为阴；左为阳，右为阴；吸引为阳、排斥为阴；正为阳、负为阴；实为阳、虚为阴；等等。物质有粒子性、就有波动性；有带正电的粒子，就有带负电的粒子；由此可以推论，物质有低光速粒子，就应有超光速粒子；有实质量的物质，就应有虚质量的物质。
将太极图应用于虚子论，则太极图阴影部分就代表质量为虚数的虚子，而另一部分则代表质量为实数的普通实物粒子
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时间：2023-10-27 15:08
参考资料：相对论
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时间：2023-10-27 15:09
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