为什么影子能比光速跑得快？ | 睡前科学故事
本文由公众号 “把科学带回家” 提供
给孩子最好的科学教育
大朋友小朋友们，你们可能已经知道了一个神秘现象，那就是在我们的宇宙里，没有任何物质的运动速度能够超过光速。
爱因斯坦是第一个提出这个假说的人。他在《狭义相对论》中说，在宇宙中的任何地方，真空中光的速度都等于每秒30万千米，而且任何有质量的物质都无法超越这个速度。
根据相对论，光速旅行者看起来会更年轻
比如，在大型强子对撞机中，粒子就可以被加速到光速的99.99%。不过因为它们还是具有质量，因此它们实际上永远无法达到真正的光速。
大型强子对撞机中，粒子可以被加速到光速的99.99
不但有质量的东西无法超越光速，连信息本身也无法超越光速。比如你给另一个国家的人发的电子邮件并不是“立刻”传到对方电脑中的，因为装载着电子邮件的信号在你们俩之间的传递速度也不会超过光速。所以在爱因斯坦的世界观里，biu 一下把思想传给别人的心电感应什么的根本就是骗人的啊！
那么，是不是世间万物都无法超越光速呢？今天我们就来介绍一些能够超越光速的“东西”。
第一个能够超越光速的东西，叫做影子。
如果你用手电照自己的手，那么你的手就会在后面的墙上投下巨大的影子。如果你动一动手指，手指的影子也会同时移动，但是它在墙上移动的距离，可比你手移动的距离要长啊。
在同样的时间内，手的影子移动的距离是手指移动距离的好多倍。我们知道速度等于距离除以时间，因此，手的影子移动的速度是手的好几倍。
那么到底是多少倍呢？用简单的光学知识我们就会知道，影子的运动速度是你手指运动速度的 D/d 倍，在这里 D 是影子到光源的距离，而 d 是你的手到光源的距离。
影子的大小是本体的 D/d 倍，影子的运动速度也是本体的 D/d 倍
如果你把手靠近手电，那么影子就会变得更大，它的移动速度也会更快。如果在遥远的宇宙中支起一个巨大的幕布，那么我们就可以创造出一个天文数字级别的影子怪兽，而它运动的速度…就可以超越光速了。
也就是说，虽然影子本体的速度无法超越光速，但是经过这样的放大，影子的速度倒能够超越光速了。
这是世纪大发现吗？爱因斯坦难道错了吗？他难道要从棺材里跳出来了吗？
别慌，这并不意味着爱因斯坦的理论出了问题，靠相对论吃饭的老师们也不会丢了饭碗，我们的宇宙还是会照常运转。
这一切都是因为…影子并不是一种物质，它不但没有质量，也不包含任何信息。
在世界上，除了光没有质量以外，影子（或者说阴影）也是没有质量的“东西”。爱因斯坦说了，有质量的物质和信息传播的速度无法超越光速，但并没说无质量的东西不能超越光速啊！
影子在“超光速”的运动过程中，并没有使任何物质移动，也没有传播任何信息，所以它并没有打破相对论。
和影子类似，没有质量的光斑的“移动”速度也可以超过光速。比如，如果你用激光笔划过天空，天空中的那个光斑的移动速度看起来就比你的动作更快。这和影子的道理是类似的。
虽然影子和光斑的“运动”速度看起来超越了光速，但是实际上它们的动作有延时，而这段延时就是光从光源一直运动到影子或是光斑处所花的时间。在这个过程中，光的运动速度并没有超过真空中的光速，所以没有任何物质或信息的传播速度超过了光速。相对论还是屹立不倒啊！
讲到这里，你一定会脑洞大开。世界上除了影子，还有其他东西既没有质量，也不包含信息呢？
真空之外， 是什么呢？
还真有呢。真空就是这样的一种“东西”。
真空中没有任何物质或信息，所以也没有质量。因为真空没有质量也不含信息，所以它的速度也可以超过光速。
物理学家们认为，在宇宙诞生之初，也就是大爆炸发生之后的一万亿又一万亿分之一秒内，宇宙的大小不断翻番，因此那时宇宙真空边界的膨胀速度是远远超过光速的。
宇宙的膨胀类似于气球的膨胀，空间不断胀大，所以其他天体看起来离我们远去
不过说到底，光速最大的理论是爱因斯坦提出的。爱因斯坦最烦的人——量子力学物理学家们，无意中在这个问题上给爱老师挖了个坑...
在他们提出的量子力学中，最让爱因斯坦抓狂的就是一个叫做量子纠缠的现象。
量子纠缠指的是，一对粒子的量子状态总是息息相关的。不管它俩相隔多远，一个总是能够立刻知道另一个是什么状态，就好像它们有心电感应一样。
量子纠缠，就是粒子间的“心电感应”
换句话说，一个粒子的状态信息可以“咻”地一下传到另一个粒子那里，这个状态的传播是瞬间完成的，速度比光速不知道快到哪里去了。
量子力学这帮人，摆明了就是在搞相对论的事啊。量子力学就因为这个 BUG 成功引起了爱因斯坦的注意，所以爱因斯坦一辈子都在和量子力学的人用嘴巴干仗。
爱因斯坦（左）和量子力学泰斗玻尔（右）的世纪嘴仗
如果有什么让爱因斯坦死不瞑目，恐怕就是量子力学了吧。
当然，后来物理学家们终于把这个问题强行解释通了——因为你没有办法控制粒子的状态，所以这压根不能算通讯（传递信号）好吗？
打个比方，假设你和你朋友一人一个手机，但这两个手机只能随机给你俩发点相同的垃圾信息，却不能用来打电话或发短信。那它还怎么沟通你俩的友谊？它还算哪门子通讯？它们根本不能传递信号啊！
相对论就这样和量子力学握手言和了。
光是量子纠缠已经让爱因斯坦和学生党们薅掉了不少头发，但物理学家们显然觉得这还不够刺激。他们后来又创造出了一个更加无敌的超光速存在——虫洞。
虫洞是一种存在于物理理论中的东西，是科幻小说的最爱。虫洞可以让人瞬间穿越到宇宙的另外一个地方，不管那地方有多远。如果虫洞真的存在，那么穿越虫洞的物质的速度就可以超越光速了。为了设计制造虫洞，物理学家们还创造出了一种质量为负的奇异物质，这种奇异物质超出了许多地球人的智商范围。
想象中能够使物体时空穿越的虫洞
别说你听着觉得头疼，物理学家们也为这个问题熬瘦了脑细胞，但到现在也没整出个结论来。
其实能够超越光速的“东西”其实还有很多（如卡西米尔效应、相速度、群速度、超光速剪刀，以及许多视超光速现象等），但是它们都没有违反相对论中关于信息传播速度不超过光速的设定。
如果有上帝的话，上帝的内心和在座的各位考生应该是一样的：
爱因斯坦你知道得太多了！
★ 点击 阅读原文 里面有可以听的睡前故事哟 ★
不过瘾，请戳
给孩子最好的科学教育
转载请联系 kids@huanqiukexue.com
长按二维码关注我们
参考资料：
The Physics and Relativity FAQ, scienceexplorer, wikipedia 等
图片来源：symmytrymagazine, planet science, gif finder, wordpress, dailymail, phys.org, wikipedia 等