什么是因果律_因果律的规则和定律

“真空光速不可超越”，想必这句话很多人都非常熟悉，即便你没有学过相对论，在日常的信息渠道中也应该或多或少听说过，并且光速已然成为了相对论的代名词。或许正是因为这样的原因，很多人对于打破光速这一限制产生了源源不断的兴趣。

比如下面几种超光速疑问：

①我拿着手电筒跑，那么手电筒发出的光不就超光速了吗？（大于每秒30万公里）

②一根无限长的棒子，使其绕一端旋转，那么另一端的速度不就无穷大了吗？也就是超光速了

③还是一根无限长的棒子，我在一端用力一推，那么另一端就会立即移动一下，这样一来就能借此传递信息，而这不就说明信息的传递速度超过光速了吗？

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这样的疑问还有很多，这里就不多做介绍了。

总的来说，这些的疑问都是建立在没有深入了解过相对论的前提下产生的，或者是这些朋友只是了解了一些定理语句，但没有用数学演算过，这样就导致了此类疑惑层出不穷。

实际上关于这些问题的解答大致分类两个：

第一个：利用狭义相对论的几个推论（比如质增效应、速度叠加公式等等）来进行解释和反驳。

比如质增效应，对观察者而言，如果物体速度越来越接近光速，那么其质量就会增至无穷，而进一步的加速则变为不可能（实际上用能量变为虚数的观点则更为严谨，下文会提到）。

第二个：告诉他们，现实世界不存在绝对刚体，无限长的棒子在受力时必定产生形变，而这一过程的传递速度大小实际上就是固体内部的音速传播数值，利用应力波传递信息，除非是刚体，否则不可能超越光速。

但我们今天想说的是关于光速为什么不能超越的一个本质原因——因果律，这种解释并不多见，因为在很多时候，刚才所讲的几种解释就已经很好的反驳了超光速现象。

不过上述的几种解释中忽视了一个似乎不太重要的点，那就是绝大部分关于超光速现象的物体，事前都在经历一个加速过程，也就是这个物体的初速度是小于光速的，之后想通过加速来实现超光速。

这种方式的毛病就出现在加速过程中，之前第一个解答已经告诉我们，因为需要无穷多动力进一步加速，所以不成立。（注：虽然这种解释看上去是很合理的，但是关于物体质量增加这一点（动质量），现在已经没有这种说法了，因此用能量的观点（质能方程，不出现动质量的形式），当物体的速度达到或者超光速时，物体能量就变的没有意义或者是虚数）

正是因为这样的讨论，导致我们一直陷于加速过程，而很少注意到另一种情况——如果初速度就大于光速呢？

就如光子生来就是光速一样，如果宇宙中存在生来速度就大于光速的物质又该怎么说呢？实际上关于这点，在上世纪曾有科学家提出过相应理论——“快子理论”，认为有可能存在天生速度就大于光速的物质，称为快子。而快子存在一个速度下限，不能低于光速（正如普通物质不能超过光速一样）。

然而正如所有的超光速现象一样，即便是不考虑加速，天生速度就大于光速的快子也不能逃过因果律的限制。

接下来就引出了今天文章的主角——因果律

因果律本身是一个很古老的定律，称之为定律可能不太习惯，因为因果律的内容可以说是最最基本的常识也不为过，很简单的一句：先有因后有果。在这个世界上，估计没有人会去怀疑这一句话的正确性。

比方说你在土里种下了一颗苹果树的种子，许久之后长出了一颗苹果树。这个事件的顺序是先播种子后长树，你能想象出先长树后播种的情况出现吗？ 再比如，每个人都是先出生后死亡的，你能想象出一个人是先死后生的吗？这就是因果律，而违背因果律的事情，是断然不能接受的，这一点应该没有人质疑。 然而因果律又是怎么和超光速现象联系上的呢？

这里我们首先需要事件在相对论中的定义，所谓事件就是指一个时空点（由空间一点和某一时刻构成）。比如刚才提到的例子，播散种子是一个事件（事件A），而苹果树长成又是一个事件（事件B），这两个事件是构成因果联系的，并且后一个事件的发生时间必定晚于第一个事件，也就是事件B的时刻减去事件A的时刻，必须大于零。

然而在狭义相对论中，时间不再是一个全员相同的物理量了，不同参考系对于同一事件的看法是不一样的，比如在我这个参考系内，事件A发生于时刻a，事件B发生于时刻b，然而在另一个人的参考系中，事件A发生于时刻a，而事件B却发生于时刻c。

由于因果律在每个参考系内都必须成立，再结合上上段的内容，将上述文字转换为数学表达则为：b-a＞0，c-a＞0，也就是说只要上述数学式成立，那么因果律就没有被打破。

而这样的数学式又和超光速有什么联系呢？ 下面再简单的介绍一个概念——世界线

世界线是狭义相对论几何化后的概念，区别于一般代数式的理解相对论，几何语言的描述能更加凸显狭义相对论的本质，其中世界线就被定义为某个物体自身事件的集合，如下图所示

其中横轴代表空间，竖轴代表时间（这个图被称为时空图），而某一物体每时每刻在的空间位置都可以用时空点表示，因此一条连续的曲线就是某一物体的世界线，而物体的世界线分为三种：分别称为类时线、类光线、类空线

并且这三种世界线可以简单的表示为：类时线是指速度低于光速的物体的世界线、类光线是指物体速度等于光速的世界线、类空线是指物体速度大于光速的世界线，即超光速现象对应的世界线为类空线。

在知道这样的结论后，那么问题就可以归结于：类空线与数学式b-a＞0，c-a＞0之间到底是什么关系？ 由于类空线与数学式b-a＞0，c-a＞0，都可以推演成一个概念——时空间隔，那么何为时空间隔呢？

简单来说，我们来想一想：在平面欧氏几何中的一个极短的线长是如何表示的呢？很简单，长度的平方等于（x²+y²）（其中x、y代表一端坐标轴方向上的极小长度，微积分表示就是ds、dy），而在时空图中关于长度的定义与此类似（区别只在于时间），被称为时空间隔。

回到问题，我们知道类空线的是时空间隔是大于零的，而数学式b-a＞0，c-a＞0可以通过洛伦兹变换转换为时空间隔，可以证明其时空间隔是小于等于零的。

既如此，那么可以总结得到：若时空间隔小于等于零，则因果律成立；若时空间隔大于零，则因果律不成立，且判断标准就是超光速。

而另一个大前提就是我们坚信因果律在任何情况下都必须成立，因此超光速现象必须被禁止！（也就是不出现类空的世界线）

所以说，超光速现象不存在的真正原因是因果律不支持超光速存在。