今天我們來(lái)說(shuō)說(shuō)超光速——這個(gè)超勁爆、超現(xiàn)實(shí)的謎，惹得無(wú)數(shù)人為之著迷。

既然要說(shuō)透【超光速】，就得先說(shuō)明白【光速】。

是指所有無(wú)質(zhì)量粒子以及所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)波動(dòng)，在真空中的運(yùn)行速度。

什么意思？說(shuō)得直白點(diǎn)，就是光在真空中的速度。作為物理常數(shù)，一般標(biāo)記為c，眾所周知光速是每秒30萬(wàn)公里，精確值是每秒299,792,458 米。

用這個(gè)速度可以衍生出一些光行距離，方便使用：光秒、光分、光時(shí)、光年。比如說(shuō)，地球到月球距離是1.3光秒，地球到太陽(yáng)距離是8.3光分，地球到土星1.18光時(shí)，地球到比鄰星是4.3光年，到仙女座星系是250萬(wàn)光年，到可觀測(cè)宇宙邊緣是465億光年。

光，既是振蕩的電磁波，也是行進(jìn)的光子，這些攜帶能量的小包裹，可以同時(shí)表現(xiàn)出波和粒子的兩種特性，獨(dú)特穿越于宇宙間。光就像宇宙的生命線，將能量從一個(gè)原子送往另一個(gè)原子，或者耗費(fèi)數(shù)十億年跨越漫長(zhǎng)的時(shí)空，將能量從一個(gè)星系送往另一個(gè)星系……說(shuō)得詩(shī)意點(diǎn)，「光不僅是探索宇宙奧秘的工具，它本身就是奧秘」。

為啥愛(ài)因斯坦說(shuō)光速不能被超過(guò)就不能超過(guò)？他的話為啥成了金科玉律？

請(qǐng)記住，光速作為物理常數(shù)，也是逐漸被認(rèn)識(shí)的，并不是人為規(guī)定的極限。

早在亞里斯多德時(shí)代或者牛頓時(shí)代，光一直都被認(rèn)為是瞬間就能達(dá)到，光速無(wú)限大。

直到1676年，丹麥天文學(xué)家奧勒·羅默測(cè)定光速是每秒22萬(wàn)公里，盡管比實(shí)際數(shù)值低了26%，但無(wú)疑具有重要的開(kāi)創(chuàng)意義。直到將近兩百年后，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋建立電磁理論，才有了光傳播的正確理論。可以說(shuō)測(cè)定光速，為20世紀(jì)誕生的相對(duì)論——終結(jié)絕對(duì)時(shí)空觀，開(kāi)了第一槍。

史上最著名的公式莫過(guò)于質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程了，大家知道E = mc^2（E代表能量，m代表質(zhì)量，c代表光速），再清楚不過(guò)地顯示了一條鐵律：沒(méi)有什么帶有質(zhì)量的東西能夠達(dá)到光速運(yùn)動(dòng)，更不要說(shuō)超光速了！

因?yàn)閺念崜洳黄频墓娇梢钥闯觯耗芰亢唾|(zhì)量是等價(jià)的。物體由于運(yùn)動(dòng)具有的能量，應(yīng)該加到它的質(zhì)量上去。

比如說(shuō)，以10%光速運(yùn)動(dòng)的物體，質(zhì)量比原先增加了0.5%，但以90%光速運(yùn)動(dòng)的物體，質(zhì)量變得比正常質(zhì)量的兩倍還多。當(dāng)物體越接近光速時(shí)，它的質(zhì)量就越大。反過(guò)來(lái)也就是說(shuō)，一個(gè)物體永遠(yuǎn)都不可能達(dá)到光速，因?yàn)槟菚r(shí)質(zhì)量會(huì)變成無(wú)限大，而根據(jù)質(zhì)量和能量等價(jià)原理，這就需要無(wú)限大的能量才能做到。

歐洲核子研究中心作為全世界最強(qiáng)大的粒子加速器機(jī)構(gòu)，幾乎每天都在驗(yàn)證著這條顛撲不破的鐵律。無(wú)論給加速器輸入多么大的能量，粒子的速度也只能與光速稍微再接近一點(diǎn)。有些粒子甚至被加速到跟光速只差0.00001%，但還是沒(méi)有任何實(shí)物粒子的速度可以達(dá)到光速。

總而言之，愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中提出的兩個(gè)先決條件：光速不變和光速不能被超過(guò)，并非來(lái)自什么魔力，更不是拍腦袋硬性規(guī)定，而且他正好完美揭示了一個(gè)自然法則。

正是愛(ài)因斯坦拿著這個(gè)「光速不變和光速不能被超過(guò)」這桿槍，才開(kāi)始革掉牛頓絕對(duì)宇宙觀的命。此話怎講？

牛頓的經(jīng)典理論都是建立在絕對(duì)時(shí)空基礎(chǔ)上的。經(jīng)典力學(xué)中的所謂空間，就像是一個(gè)無(wú)限延展的、具有固定坐標(biāo)的大框架；所謂時(shí)間，就是擺放在宇宙中央、永遠(yuǎn)均勻擺動(dòng)的一個(gè)大笨鐘。宇宙所有的人事物都放在這個(gè)絕對(duì)的大框架中，相互作用和運(yùn)動(dòng)。同一個(gè)宇宙，擁有同一個(gè)空間坐標(biāo)，同一個(gè)時(shí)間座鐘。在這種絕對(duì)時(shí)空里，牛頓雖然也研究光、引力，但他認(rèn)為這些作用的傳播不需要時(shí)間，也就是光速無(wú)限大，是超距的、瞬時(shí)的。

但愛(ài)因斯坦否定了這種超距、瞬時(shí)的觀點(diǎn)，光速也是一個(gè)有限數(shù)值，而且是宇宙中信息和能量傳播速度的最高上限。

由此可以推導(dǎo)出：每個(gè)觀察者都一定有自己的時(shí)間測(cè)度，都是以自帶的鐘表為準(zhǔn)。不同觀察者攜帶同樣精準(zhǔn)的鐘表，但讀數(shù)沒(méi)必要、也不可能完全一樣。

看到這兒，你可能不太理解，感覺(jué)有些反直覺(jué)。這是因?yàn)槲覀儧](méi)有這么高精尖的鐘表，也沒(méi)有工夫去嚴(yán)謹(jǐn)觀測(cè)。不過(guò)，科學(xué)家早就替我們驗(yàn)證過(guò)了。

1962年，科學(xué)家把兩個(gè)原子鐘分別放在水塔的頂部、底部。底部的鐘相對(duì)來(lái)說(shuō)更接近地球的球心，比放在水塔頂部的鐘跑得慢。同樣一個(gè)水塔，頂部和底部的時(shí)間并不相同。

另一個(gè)經(jīng)典例子：我們經(jīng)常使用手機(jī)導(dǎo)航吧，天上的那32顆GPS衛(wèi)星，就跟地面上的我們不是一個(gè)時(shí)間，兩個(gè)相對(duì)論效應(yīng)相減后，得出每天比地球表面快38微秒。這是啥概念？有多大差別？如果不把這細(xì)小的時(shí)差校正的話，每天可能會(huì)引起我們高達(dá)100多米的導(dǎo)航位置偏差。

再來(lái)把思想實(shí)驗(yàn)：如果你以10%光速，也就是每秒3萬(wàn)公里往返一趟海王星，只需不到4天的時(shí)間，當(dāng)返回地球時(shí)，你已經(jīng)比自己的女票／男票年輕了25分鐘。

這就是速度、引力決定下的相對(duì)論效應(yīng)——每個(gè)人、每個(gè)物體都有自己的時(shí)間，所經(jīng)歷的時(shí)間各不相同。時(shí)間與長(zhǎng)度取決于觀察者。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，狹義相對(duì)論揭示了速度對(duì)時(shí)鐘的影響：速度越快，時(shí)間越慢。廣義相對(duì)論揭示了引力對(duì)時(shí)鐘的影響：引力越大，時(shí)間越慢。

說(shuō)到這兒，我們就可以理直氣壯地得出結(jié)論：如果沒(méi)有「光速不變和光速不能被超過(guò)」作為前提，就沒(méi)有現(xiàn)代物理學(xué)和宇宙學(xué)所構(gòu)建的這個(gè)世界。反過(guò)來(lái)，如果存在超光速的物體運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)世界就是錯(cuò)的。

此刻可能有人反問(wèn)了：一個(gè)波動(dòng)的相速度，不是可以輕松超過(guò)光速嗎？費(fèi)曼圖中的虛光子不是也能超光速嗎？量子糾纏現(xiàn)象不是也能超光速嗎？

的確這些超光速現(xiàn)象都存在。以某種方式定義的「速度」超過(guò)光速是完全可能的，重要的是我們要搞清楚，這些現(xiàn)象并非是以能量和信息的傳遞速度超過(guò)了光速！

因?yàn)閯偛盼艺f(shuō)了：愛(ài)因斯坦理論的前提條件是光速不變和光速不能被超過(guò)，這就意味著宇宙中信息和能量傳播速度的最高上限是光速。盡管這些現(xiàn)象都能超光速，但跟光速有個(gè)本質(zhì)上的區(qū)別——并沒(méi)有傳遞信息和能量！

▲藍(lán)點(diǎn)以群速度運(yùn)動(dòng)，綠點(diǎn)以相速度運(yùn)動(dòng)，紅點(diǎn)以波前速度運(yùn)動(dòng)。然而，相速度并沒(méi)有攜帶信號(hào)／信息進(jìn)行超光速。

有人認(rèn)為量子糾纏可以達(dá)到超光速的信息傳遞，但目前科學(xué)界主流意見(jiàn)認(rèn)為不可能，頂多只能加快信息傳遞的速度，接近光速。

還有人會(huì)說(shuō)，目前觀測(cè)到超過(guò)光速的宇宙膨脹速度，難道不是真實(shí)存在嗎？如果一個(gè)遙遠(yuǎn)星系正以超光速的退行速度遠(yuǎn)離我們，而我們恰好又收到了它發(fā)出的已經(jīng)紅移了的光線，這不正是信息傳遞速度超過(guò)了光速的證據(jù)嗎？

先可以肯定地說(shuō)，現(xiàn)今可觀測(cè)的距離范圍內(nèi)，宇宙膨脹速度（退行速度）確實(shí)已經(jīng)超過(guò)了光速。但這是宇宙空間構(gòu)造本身的膨脹超光速，并不是信息傳遞速度實(shí)現(xiàn)了超光速。

還是打個(gè)比方吧——

我們現(xiàn)在接收到一個(gè)遙遠(yuǎn)星系的光波，比如說(shuō)是數(shù)十億年前發(fā)出來(lái)的。當(dāng)時(shí)這束光波被派出來(lái)后，就高高興興地飛到宇宙中開(kāi)始了時(shí)空旅行，就像游子離開(kāi)了母親一樣，從此失去了聯(lián)系。飛著飛著宇宙膨脹了，那個(gè)星系跟地球之間的距離增加了，但這個(gè)光波毫不知情。自己也因?yàn)榭臻g膨脹而被拉長(zhǎng)，頻率變低了。經(jīng)歷幾十億年后，這個(gè)光波終于來(lái)到了地球，可他并不知道母親星系后來(lái)的情況，報(bào)告給我們地球人的所有母親星系的消息，其實(shí)只是過(guò)時(shí)了的信息。

現(xiàn)在再看看——

按照速度=距離／時(shí)間公式：傳遞信息／能量的固有速度等于，跟信息／能量一起運(yùn)動(dòng)的觀察者測(cè)量的距離，除以自帶時(shí)鐘測(cè)量的經(jīng)過(guò)時(shí)間。

前面說(shuō)過(guò)，速度跟觀察者無(wú)關(guān)，但時(shí)間與長(zhǎng)度取決于觀察者，取決于自帶的鐘表和尺子。這就需要用到洛倫茲變換公式，還是省省吧。

即使不經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算，我們也大可不必驚喜這個(gè)光波傳遞信息的速度會(huì)超過(guò)光速。因?yàn)槟阆氚。?strong>這個(gè)信息本身就是由這個(gè)光信使傳過(guò)來(lái)的，傳遞的速度頂多就是光的速度，何談什么自我超越——超光速的光呢？

其實(shí)這都是一種觀察效應(yīng)，實(shí)際速度跟觀察者無(wú)關(guān)，跟真正的所謂能量和信息的超光速傳遞不是一回事兒，這是宇宙空間本身的膨脹速度超過(guò)了光速，不是信息傳遞速度實(shí)現(xiàn)了超光速。所以并不違背相對(duì)論，更不能說(shuō)相對(duì)論不成立。

再說(shuō)一遍，現(xiàn)在已知的所謂「超光速」，都沒(méi)有傳遞信息和能量！但凡傳遞信息和能量的最高上限，就是光速！

至于，義無(wú)返顧地迷戀超光速的，還是一頭扎進(jìn)那些著名的科幻作品里頭吧，任意逍遙，神游宇宙——當(dāng)然不受宇宙鐵律的限制。