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“一说万物：现代物理学百年漫谈”
第七讲：狭义相对论
7.4时光能倒流吗？
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在穿越小说里，时光倒流，于是我们可以用现代人的知识去弥补历史中的遗憾。但是，在物理学中，这样的事情能成立吗？如果不能，那为什么不能？在相对论中，时间已经变成相对的了，那时间的顺序有没有可能被打乱？有没有可能一个人回到你的过去，去改变你？
其实想一想就能明白，时间是没有办法倒流的。假如张三的时间可以倒流，他回到了过去，然后拆散了他的爸爸和妈妈，果真这样的话，张三又是哪来的呢？如果允许时间倒流，世界上就会出现各种奇奇怪怪的悖论。
当然了，如果狭义相对论中，时间在变成相对的以后，可以发生倒流，那么狭义相对论也就变成了一个不太自洽的理论。实际上，狭义相对论内在的理论结构是禁止时间倒流的。
首先介绍一个概念：光速是速度的极限。运动的物体不可能从运动速度小于光速加速到光速，然后又加速到超光速。有一个相对论能量公式，它告诉我们一个有质量的物体，当运动起来时，其拥有的能量是
。这个公式大家可能不熟悉，但是如果速度很小，我们做一个近似的话，这个公式的第一项就是著名的E =mc2，，第二项就是我们熟悉的动能1/2mv2，还有很多其他的项。
这个能量的公式告诉我们，如果我们把一个物体加速到非常接近光速，那么这个物体就拥有了极大的能量。越接近光速，能量越大，直至无穷大。能量是守恒的，这些能量是哪来的？是你花费的能量。而你能花费出的能量是有限的，所以说，你只能让物体任意的去接近光速，但永远也不能达到光速，更不能超过光速。从数学上，这对应着一个很有意思的数学结构。
在牛顿力学里，速度是可以简单叠加的，v = v1+v2。你在车上扔出一个球，那么在地上的人看，其速度等于车的速度加上球的速度。但是在相对论里，速度叠加的公式是不一样的。我们通常看到的v = v1+v2只是相对论的一个速度很低的近似而已。相对论里，速度叠加是一个双曲反正切公式，如上图最后一个公式所示。arctanh(v/c)这个量叫快度，当速度等于光速的时候，快度是无穷大的，没有办法变得更大了,所以说没有办法超过光速，光速是速度的极限。
知道了这一点，我们画一个时空图，就发现我们没有办法回到过去。起码在狭义相对论的框架下，我们没有办法回到过去。我们再考虑张三，他的运动轨迹是什么呢？它的运动轨迹在时空图里是一条斜率一直大于45度的线。如果不运动，那就是一条竖线，运动了的话，再运动他也逃不出“如来佛的手心”——光锥，即再运动，它的速度也没有办法比光速大。只要没有办法比光速大，他就不可能逃出光为他设定的限制，他不可能跑到他的过去。
比如说张三，现在处于下图中这样一个时空点，从他这个点射向未来的光，为他设定了一个他所能达到的、也就是他所能改变的这样的时空的一个集合，这样的集合叫做“未来光锥”。从过去发现他的光，为他设定了一个以前的、可以改变他的任何事件的集合，这样的集合叫做“过去光锥”。
给大家做一个练习。教育家、思想家张载曾经说过：“为天地立心，为生民立命，为往圣继绝学，为万世开太平。”那么为往圣继绝学，能继的绝学都在哪里呢？能继的绝学都在过去光锥当中，因为这是可以影响一个人的所有的事情的集合。而为万世开太平，能开的太平在哪里呢？都处于未来光锥，因为这是能影响到的所有事情的集合。你没有办法跑出未来光锥，更没有办法回到过去光锥当中。
（责任编辑：杨玉露）
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