为什么FTL意味着时间旅行(2016)

在科幻小说中，引入某种形式的超光速通信或旅行是相当标准的费用。毕竟，太空很大，如果你不得不等待一代飞船在最近的恒星之间痛苦地缓慢爬行，更不用说试图穿越银河系，你就不能写你那虚张声势的霍恩布洛尔太空小说。

然而，超光速通信(包括旅行)打破了物理学的一些非常基本的东西，这是科幻小说经常忽视的，也是非物理学家很难理解的。如果你允许超光速(FTL)，那么你就打破了因果关系：你就是在允许时间旅行。一种简洁的说法是：

宇宙似乎选择了相对论和因果关系。因此，我们不能以超过光速的速度旅行或交流。

但这是为什么呢？为什么超光速意味着时间旅行。为了证明这一点，画一些图表很方便。我们将使用时空图。它们看起来是这样的：

在这里，我试图画出宇宙的全部四个维度：三个空间和一个时间。现在，我画不出四个维度。我甚至连三个都画不出来(毕竟这是个2D屏幕)。所以我抑制了两个空间维度，把所有的空间都画成一条线。这对我正在努力做的事情不会有太大影响，但把这一点牢记在心是有好处的。

考虑到这一点，我在这里展示了我的时空图：我在中间静止不动，所以我看到时间在向前滴答(垂直于)我周围的空间方向。正如你将看到的，相对于我，其他人有不同的时空图，不同的时间和空间轴。毕竟，这才是相对论的意义所在。

相对论的特殊之处在于，每个人测量的光速都是一样的。我们在一个时空图中展示了这一点，我们说每个时空图都有光相对于时间轴以45度的角度传播。光在称为空的线路上传播。

这里显示了在调用t=0时(当时间轴和空间轴交叉时)事件发出的零线光。请记住，我正在压制大部分空间维度：这些光线实际上是从我周围的球体中发出的。因为光以45度的速度传播，所以从这个t=0事件开始，任何比光慢的东西都比光线更靠近时间轴，而任何比光快的东西都离时间轴更远。

光线定义了未来的光锥。这是一组可以感知t=0处的事件的时空事件，因此，在没有FTL的宇宙中，在t=0处发生的任何事件都可能影响所有事件。还有一个过去的光锥，它将是从事件在时间上向后延伸的45度线：在没有FTL的宇宙中，这定义了所有可能影响t=0事件的事件，因为来自那些其他事件的光(因此移动速度慢于光的物体)有时间到达。

所以现在让我从一般的时空图转到一个例子，它将表明为什么FTL意味着时间旅行。让我们考虑一个具体的例子：假设我们在地球上建造了一台超光速通信设备，可以让我们与4.25光年外的比邻星半人马座B上的居民交谈。同样，这也是时空图中超光速和慢于光速的一组通信的样子。

关键的是，我已经画出了与我们自己的时间平行的近半人马座的时间轴。这是因为半人马座比邻星的运动速度基本上与地球相同(与光速相比差别很小)。因此，我们对时间的计数和近端的半人马座之间没有太大的相对论效应。

现在，让我们想象一下，某个事件发生在远离地球的地方，方向是这样的，事件发出的光在到达比邻星之前就射到了我们身上。这个时空图看起来就像我已经展示的那样。首先我们看到光，然后光到达比邻星。请注意，我已经绘制了以45度角向我的时间轴移动的事件的光线。毕竟，它是光，光在时空图上以45度的速度传播。

因此，现在，让我们添加FTL通信。我们看到这一事件，打开超光速电话，然后告诉近半人马座的人。他们接到电话，现在有好几年的时间来准备迎接来自任何事件的光的到来(让我们说它是一颗超新星，或者是相对论攻击车的发射。)。我们在这里玩科幻比喻)。

现在，这是大多数人对超光速通信的印象。这似乎没有什么问题：我们都同意这一事件是先发生的，然后地球称其为比邻星，然后光线到达比邻星。没问题：虽然最近的半人马座人很早就听说了这一事件，但并没有违反因果关系。毕竟，我们都同意先发生什么，不是吗？没有效果先于其原因。

但是我们已经忘记了相对论。只有当每个人都在相同的参照系中移动时，比如我们和比邻星(实际上我们不在同一个休息系，但距离足够近，无关紧要)，这才管用。所以，为了看到这个问题，让我们增加一个新的观测者，相对于地球和比邻星高速移动。这是科幻小说，所以我们加了一艘相对论宇宙飞船。它与v<；c一起移动，但是v>；>；0，所以它在我的时空图上的轨迹相对于我的时间轴有很大的偏差：它几乎以光速移动。

这里是相对论效应开始发挥作用的地方。相对论告诉我们，每个人都以等速运动，说他们是静止的是完全合理的。因此，我们认为我们是静止的(忽略地球的自转，或其绕太阳的轨道)。近端的半人马座人认为他们安息了。相对论宇宙飞船上的人认为他们是在休息。这样他们就可以画出自己的时空图，画出自己的时间轴。那个时间轴，就像我的一样，总是在他们所在的地方：在船上。所以我认为它们的时间轴与飞船的轨迹是一致的。

另外，他们有一个空间轴，就像我一样。相对论混淆了空间和时间，所以我认为它们的空间轴是倾斜的--就像它们的时间轴是倾斜的一样。事实证明，空间轴是在45度零线上翻转的，但我不打算证明这一点。这种奇怪的空间和时间混合的观察者，我认为是运动的，这是相对论的一个必要部分。这是每个人都同意光在c运动的唯一途径。

现在，如果我愿意的话，我可以在飞船的参照系中画出它的时空图。它会有三角的空间和时间轴，来自事件的光将以45度的角度传播，他们会看到地球的轴高度倾斜(如果我保持与这组图表相同的方向，指向左边)。这就是相对论。但是我们不会在这里画那个图表，因为这个故事没有必要画这个图表。

那么现在会发生什么。让我们问一下宇宙飞船什么时候看到图中的各种事件。要做到这一点，我们需要知道船的恒定时间线。这并不太难：对我们来说，恒定时间线就是时空图中平行于空间轴的线。宇宙飞船也是如此。它们的恒定时间线看起来是这样的：

根据我们的说法，在地球上，事件的顺序是这样的：我们看到来自事件的光击中我们。我们用超光速电话呼叫比邻星。近半人马座的人会做任何他们想做的事来响应那个召唤，然后他们就会看到事件的曙光。

这艘船看到了什么？他们看到了半人马座比邻星上收到的电话。然后，他们看到了从地球上打来的电话。结果先于原因：违反因果关系。事实上，如果这艘船以正确的方式设置了FTL电话，他们可以在地球打电话之前打电话给地球。他们甚至可以告诉地球，嘿，不要给我们刚才看到的比邻星打那个电话。然后呢？

现在，你可能会说，等等，光的传播时间是有限的。你刚才已经展示了宇宙飞船分配给各种活动的时间，但他们不能马上看到。那将拯救我们！不幸的是不。这就是这艘船真正从这些事件中获得光明的时刻。

正如您所看到的，来自电话接收的光远远早于来自发出电话的光。再说一次：因果关系被违反了。

所以你看到了问题所在：如果我们可以说只有一个参照系，我们需要建立因果关系，那么我们就可以使用FTL，而不用担心因果关系。然而，没有特殊的参照系，如果相对论是真的，就不可能有一个参照系。相对论是正确的，因为我们都测量光以相同的速度行进(此外，你需要相对论才能使电磁工作，这可能是你想要的)。

如果你可以旅行或沟通超光速飞行，你就可以穿越时空，或者至少可以倒流沟通。这会很麻烦--而且似乎不是我们生活的宇宙。