宇宙中已知的“超光速”现象研究：宇宙铁律能被打破吗？

今天我们来说说超光速——这个超劲爆、超现实的谜，惹得无数人为之着迷。

既然要说透【超光速】，就得先说明白【光速】。

光速的定义——

是指所有无质量粒子以及所对应的场波动，在真空中的运行速度。

什么意思？说得直白点，就是光在真空中的速度。作为物理常数，一般标记为c，众所周知光速是每秒30万公里，精确值是每秒299,792,458 米。

用这个速度可以衍生出一些光行距离，方便使用：光秒、光分、光时、光年。比如说，地球到月球距离是1.3光秒，地球到太阳距离是8.3光分，地球到土星1.18光时，地球到比邻星是4.3光年，到仙女座星系是250万光年，到可观测宇宙边缘是465亿光年。

那么光到底是啥东东？

光，既是振荡的电磁波，也是行进的光子，这些携带能量的小包裹，可以同时表现出波和粒子的两种特性，独特穿越于宇宙间。光就像宇宙的生命线，将能量从一个原子送往另一个原子，或者耗费数十亿年跨越漫长的时空，将能量从一个星系送往另一个星系……说得诗意点，「光不仅是探索宇宙奥秘的工具，它本身就是奥秘」。

问题来了，为啥说物体运动的速度上限就是光速？

为啥爱因斯坦说光速不能被超过就不能超过？他的话为啥成了金科玉律？

请记住，光速作为物理常数，也是逐渐被认识的，并不是人为规定的极限。

早在亚里斯多德时代或者牛顿时代，光一直都被认为是瞬间就能达到，光速无限大。

直到1676年，丹麦天文学家奥勒·罗默测定光速是每秒22万公里，尽管比实际数值低了26%，但无疑具有重要的开创意义。直到将近两百年后，英国物理学家麦克斯韦建立电磁理论，才有了光传播的正确理论。可以说测定光速，为20世纪诞生的相对论——终结绝对时空观，开了第一枪。

史上最著名的公式莫过于质能转换方程了，大家知道E = mc^2（E代表能量，m代表质量，c代表光速），再清楚不过地显示了一条铁律：没有什么带有质量的东西能够达到光速运动，更不要说超光速了！

因为从颠扑不破的公式可以看出：能量和质量是等价的。物体由于运动具有的能量，应该加到它的质量上去。

比如说，以10%光速运动的物体，质量比原先增加了0.5%，但以90%光速运动的物体，质量变得比正常质量的两倍还多。当物体越接近光速时，它的质量就越大。反过来也就是说，一个物体永远都不可能达到光速，因为那时质量会变成无限大，而根据质量和能量等价原理，这就需要无限大的能量才能做到。

欧洲核子研究中心作为全世界最强大的粒子加速器机构，几乎每天都在验证着这条颠扑不破的铁律。无论给加速器输入多么大的能量，粒子的速度也只能与光速稍微再接近一点。有些粒子甚至被加速到跟光速只差0.00001%，但还是没有任何实物粒子的速度可以达到光速。

总而言之，爱因斯坦在狭义相对论中提出的两个先决条件：光速不变和光速不能被超过，并非来自什么魔力，更不是拍脑袋硬性规定，而且他正好完美揭示了一个自然法则。

正是爱因斯坦拿着这个「光速不变和光速不能被超过」这杆枪，才开始革掉牛顿绝对宇宙观的命。此话怎讲？

牛顿的经典理论都是建立在绝对时空基础上的。经典力学中的所谓空间，就像是一个无限延展的、具有固定坐标的大框架；所谓时间，就是摆放在宇宙中央、永远均匀摆动的一个大笨钟。宇宙所有的人事物都放在这个绝对的大框架中，相互作用和运动。同一个宇宙，拥有同一个空间坐标，同一个时间座钟。在这种绝对时空里，牛顿虽然也研究光、引力，但他认为这些作用的传播不需要时间，也就是光速无限大，是超距的、瞬时的。

但爱因斯坦否定了这种超距、瞬时的观点，光速也是一个有限数值，而且是宇宙中信息和能量传播速度的最高上限。

由此可以推导出：每个观察者都一定有自己的时间测度，都是以自带的钟表为准。不同观察者携带同样精准的钟表，但读数没必要、也不可能完全一样。

看到这儿，你可能不太理解，感觉有些反直觉。这是因为我们没有这么高精尖的钟表，也没有工夫去严谨观测。不过，科学家早就替我们验证过了。

1962年，科学家把两个原子钟分别放在水塔的顶部、底部。底部的钟相对来说更接近地球的球心，比放在水塔顶部的钟跑得慢。同样一个水塔，顶部和底部的时间并不相同。

另一个经典例子：我们经常使用手机导航吧，天上的那32颗GPS卫星，就跟地面上的我们不是一个时间，两个相对论效应相减后，得出每天比地球表面快38微秒。这是啥概念？有多大差别？如果不把这细小的时差校正的话，每天可能会引起我们高达100多米的导航位置偏差。

再来把思想实验：如果你以10%光速，也就是每秒3万公里往返一趟海王星，只需不到4天的时间，当返回地球时，你已经比自己的女票／男票年轻了25分钟。

这就是速度、引力决定下的相对论效应——每个人、每个物体都有自己的时间，所经历的时间各不相同。时间与长度取决于观察者。

简单来说，狭义相对论揭示了速度对时钟的影响：速度越快，时间越慢。广义相对论揭示了引力对时钟的影响：引力越大，时间越慢。

说到这儿，我们就可以理直气壮地得出结论：如果没有「光速不变和光速不能被超过」作为前提，就没有现代物理学和宇宙学所构建的这个世界。反过来，如果存在超光速的物体运动，那么这个世界就是错的。

此刻可能有人反问了：一个波动的相速度，不是可以轻松超过光速吗？费曼图中的虚光子不是也能超光速吗？量子纠缠现象不是也能超光速吗？

的确这些超光速现象都存在。以某种方式定义的「速度」超过光速是完全可能的，重要的是我们要搞清楚，这些现象并非是以能量和信息的传递速度超过了光速！

因为刚才我说了：爱因斯坦理论的前提条件是光速不变和光速不能被超过，这就意味着宇宙中信息和能量传播速度的最高上限是光速。尽管这些现象都能超光速，但跟光速有个本质上的区别——并没有传递信息和能量！

▲蓝点以群速度运动，绿点以相速度运动，红点以波前速度运动。然而，相速度并没有携带信号／信息进行超光速。

有人认为量子纠缠可以达到超光速的信息传递，但目前科学界主流意见认为不可能，顶多只能加快信息传递的速度，接近光速。

还有人会说，目前观测到超过光速的宇宙膨胀速度，难道不是真实存在吗？如果一个遥远星系正以超光速的退行速度远离我们，而我们恰好又收到了它发出的已经红移了的光线，这不正是信息传递速度超过了光速的证据吗？

先可以肯定地说，现今可观测的距离范围内，宇宙膨胀速度（退行速度）确实已经超过了光速。但这是宇宙空间构造本身的膨胀超光速，并不是信息传递速度实现了超光速。

还是打个比方吧——

我们现在接收到一个遥远星系的光波，比如说是数十亿年前发出来的。当时这束光波被派出来后，就高高兴兴地飞到宇宙中开始了时空旅行，就像游子离开了母亲一样，从此失去了联系。飞着飞着宇宙膨胀了，那个星系跟地球之间的距离增加了，但这个光波毫不知情。自己也因为空间膨胀而被拉长，频率变低了。经历几十亿年后，这个光波终于来到了地球，可他并不知道母亲星系后来的情况，报告给我们地球人的所有母亲星系的消息，其实只是过时了的信息。

现在再看看——

信息速度和能量速度又是怎么定义的？

按照速度=距离／时间公式：传递信息／能量的固有速度等于，跟信息／能量一起运动的观察者测量的距离，除以自带时钟测量的经过时间。

前面说过，速度跟观察者无关，但时间与长度取决于观察者，取决于自带的钟表和尺子。这就需要用到洛伦兹变换公式，还是省省吧。

即使不经过复杂的计算，我们也大可不必惊喜这个光波传递信息的速度会超过光速。因为你想啊，这个信息本身就是由这个光信使传过来的，传递的速度顶多就是光的速度，何谈什么自我超越——超光速的光呢？

其实这都是一种观察效应，实际速度跟观察者无关，跟真正的所谓能量和信息的超光速传递不是一回事儿，这是宇宙空间本身的膨胀速度超过了光速，不是信息传递速度实现了超光速。所以并不违背相对论，更不能说相对论不成立。

再说一遍，现在已知的所谓「超光速」，都没有传递信息和能量！但凡传递信息和能量的最高上限，就是光速！

至于，义无返顾地迷恋超光速的，还是一头扎进那些著名的科幻作品里头吧，任意逍遥，神游宇宙——当然不受宇宙铁律的限制。