信息的传播速度能超过光速吗？

来源：中科院物理所

作者：Bernadette Johnson

翻译：扫地僧

审校：利有攸往

原文链接：Can information travel faster than light?

爱因斯坦狭义相对论的原则之一是：没有什么能比真空中的光速更快。光速被认为是万物的通用速度极限，科学界大都接受这一规定。但对于科学而言，总会有一些敢于突破的科研人员跳出已有的视角，试图去反驳、修正一些科学理论，或者至少找到其中的一个漏洞。光速也不例外。

在探索频道的“任务发现”中，人们了解到阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）如何发现时间是相对的，这意味着当物体以光速或接近光速行进时，距离会拉长，时间会变慢。图片来源：探索频道

光在真空中的传播速度约为每秒 299,792 公里（每秒 186,282 英里）。2011 年 9 月，从事检测中微子振荡项目(OPERA)的物理学家在科学界掀起了一股狂潮，他们的实验结果表明，称为中微子的亚原子粒子从瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）传播到意大利拉奎拉附近的格兰萨索国家实验室，比光提前大约 60 纳秒到达。关于这些中微子如何真正打破光速，或者是有什么错误导致不可能的结果，各种想法比比皆是。最后，人们发现是包括电缆松动在内的这些设备问题导致了这一实验结果，因此，这一结论最终因为实验的不可靠性而不被认可。因此，没有必要推翻爱因斯坦的理论。

其他研究人员正试图修正规则，而不是打破规则。事实上，弯曲时空是解释如何实现超光速太空旅行的一种理论。这个理论认为，时空可以在宇宙飞船的前方收缩，在飞船后方扩张，而飞船将在一个本身运动速度超过光速的曲率气泡中保持静止。这个概念最初是由墨西哥理论物理学家米格尔·阿尔库比耶尔（Miguel Alcubierre）在1994年提出的，这在理论上是可能的，但需要宇宙量级的负能量来为这种现象提供动力。后来，该理论被改进为需要行星量级的负能量，然后再次被改进为需要旅行者 1 号太空探测器量级的负能量。不幸的是，负能量必须来自难以获得的奇异物质，而我们目前只能在实验室里对曲率驱动器进行微型实验。这些理论背后的数学基础是相对论定律，所以从理论上讲，它不会违反规则。如果这项技术真的存在的话，它也可以用于比光速更慢的飞行，但比我们现在的速度快得多，这可能更实用。

太空旅行只是达到或超过光速的可能应用之一。一些科学家正致力于实现超光速的目标，为了以更快的速度传输数据。下面将介绍当前的数据传输速度和超光速信息的潜力。

数据能够以光速传播吗？

目前，我们的大部分数据都通过铜线或光缆传输。即使我们通过手机以无线电波发送数据，无线电波也是以光速传输，数据最终也会在某个时候进入互联网的有线网络传输。长途信息传输最常用的两种铜线是双绞线（最初用于电话，后来用于拨号上网和 DSL）和同轴电缆（最初用于有线电视，后来用于互联网和电话）。这两者中同轴电缆的速度更快。但比同轴电缆更快的是光缆。光缆不是使用铜缆以电信号的形式传输数据，而是以光脉冲的形式传输数据。

上面关于光速的说法中“真空中”一词很重要。通过光纤的光速没有通过真空的光速快。光在任何介质中的移动速度都慢于我们所熟知的光速这一基本物理常数。通过空气时，两者之间的差异可以忽略不计，但通过其他介质（包括构成大多数光缆核心的玻璃）光速会大大减慢。介质的折射率是真空中的光速除以介质中的光速。因此，如果你知道其中两个数字，就可以计算出另一个。玻璃的折射率在1.5左右。如果将光速（大约每秒300,000公里，或每秒186,411英里）除以这个数字，则得到每秒约200,000公里（124,274英里），这是光穿过玻璃的近似速度。一些光纤电缆由塑料制成，塑料的折射率更高，因此速度更低。

速度降低的部分原因是光的二相性质。它同时具有粒子和波的属性。光实际上是由称为光子的粒子组成的，它们不会在电缆中直线运动的。当光子撞击物质分子时，它们会向各个方向散射。介质对光的折射和吸收最终会导致一些能量和数据损失。这就是为什么信号只能依靠增强光信号实现远距离传输，而不能无限期传输。然而，光的减慢并不全是坏消息。人们可以在光纤中引入杂质，以控制光的速度并帮助有效地传输信号。

光缆仍然比铜线快得多，并且不容易受到电磁干扰。光纤的速度可以达到每秒几百吉比特(吉比特可近似理解为GB)，甚至几太比特(TB)。家庭互联网连接无法达到这样的超高速，至少部分原因是许多家庭在整个区域共享线路，而且即使是使用光纤的网络，在进入家庭的最后一段通常也是铜线。但是，随着光纤一直延伸到您的社区或家中，您可以获得每秒 50 到 100 兆比特(MB)的数据传输速度，而普通 DSL 线路的数据传输速度为每秒 1 到 6 兆比特，电缆的数据传输速度约为每秒 25 兆比特。实际数据传输速度会因地点、运营商和所选计划的不同而有很大差异。

还有其他因素会导致信号延迟，例如访问网页或下载数据时所需的来回通信。这是指您的计算机和存放数据的服务器互相通信，以确保它们同步并且数据传输成功，这就会造成延迟，尽管是短暂而必要的延迟。数据传输的距离也会影响到达目的地所需的时间，而且数据到达目的地所经过的任何硬件和电缆都可能存在额外的障碍。一个系统的速度取决于其最慢的组件，在看似（但并非）即时通信的时代，每一毫秒都很重要。

最近，通过减少干扰和其他技术，在铜线上以接近光纤的速度传输数据方面取得了突破。研究人员还致力于研究通过空气中的光传输数据，例如使用灯泡连接WiFi，或者在楼与楼之间传输激光束。同样，光在空气中的移动速度确实以接近光速的速度移动，但我们现在所拥有的技术还无法超过光速度极限。我们能实现真正的超光速传输吗？

亚历山大·格雷厄姆·贝尔的无线电话

使用光缆并不是利用光进行数据传输的第一次尝试。亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）自己发明了光电电话，它本质上是第一部无线电话，但使用的是光而不是现代手机使用的无线电波。它的工作原理是将声音耦合到镜子上，从而引起镜子振动。来自太阳的光从振动的镜子上反射到硒接收器中，硒接收器将其转换为电流，用于后续的电话传输（他最著名的发明）。它的主要缺陷是必须要阳光直射，因此云层或其他物体可能会阻挡信号。更不用说在半夜打电话了。但它确实有一些作用，并且是光纤的前身。

超光速数据传输的可能性

美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家声称，他们已经使用一种叫做四波混合的方式实现了量子数据的超光速传输，顺便说一句，这种现象被认为是光纤线路中的一种干涉形式。该实验包括发送一个短的 200 纳秒种子脉冲通过加热的铷蒸气，同时发送另一个不同频率的泵浦光束来放大种子脉冲。来自两束光束的光子与蒸气相互作用，产生了第三束光子。显然，放大的种子脉冲和新产生的脉冲的峰值都能以比在真空中以光速传播的参考光束更快的速度输出。他们报告的速度差异比光在真空中的速度快50到90纳秒。他们甚至宣称能够通过改变输入种子脉冲的失谐和功率来调整脉冲的速度。

该图显示了四波混合的过程。激光的种子脉冲与泵浦光束一起被送入含有铷原子蒸气的加热池中，从而放大种子脉冲并使其能够实现超光速。图片由NIST提供

另一种正在研究的快速数据传输技术是量子隐形传态，它依赖于纠缠对的存在：两个粒子彼此协调，如果你测量其中一个粒子，另一个粒子的性质与你在第一个粒子中测量得到的性质相同，无论它们彼此之间的距离多远。这还需要第三个粒子，用于携带人们想要传输的实际数据。从某种意义上说，人们用激光将相互纠缠的一对粒子中的一个传送到其他地方。它并不是真的传输光子，而是将新光子变成原始光子的副本。纠缠对中的一个光子可以与第三个光子进行比较，并找到它们的相似之处或不同之处，然后将这些信息传送到另一个地方，并用于与纠缠对中的另一个光子进行比较，从而读取数据。这听起来像是可以实现即时传输，但事实并非如此。激光束只能以光速传播。但是，这具有潜在的应用，如果我们发明了量子计算机的话，可以通过卫星发送加密数据，以及将量子计算机联网。它比任何超光速数据传输的尝试都更进一步。在这一点上，它可以在数英里范围内工作，研究人员还在试图增加传送距离。

关于有意义的信息是否可以比光速传播得更快，目前的答案是否定的。我们只达到了以可能超过光速的速度移动几个量子粒子的程度，前提是如果后续实验的数据证明这些粒子速度的测量是正确的。要想获得实际适用的数据传输形式，你必须能够将有组织的、有意义的、未被破坏的数据比特发送到另一台可以解读它的机器上。否则，世界上最快的传输也毫无意义。但可以肯定的是，如果光速的极限被打破，我们将其应用于互联网传输的时间将远远早于星际旅行。到时，人类将能以最快的速度观看到最高质量的电视节目，或实现最低延迟的互联网冲浪。

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