“光速不可超越”—— 这是爱因斯坦狭义相对论留给大众最深刻的印象之一,也是现代物理学的核心准则。我们熟知,光在真空中的速度恒定为 299792458 米 / 秒,任何有质量的物体,若想加速到光速,需要的能量会趋于无穷大,因此 “超光速” 似乎成了物理规律中的 “禁区”。
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但事实并非绝对:相对论禁止的是 “真空中物质或能量的传递速度超过光速”,而在宇宙中,存在两种特殊的 “速度”,它们不仅远超光速,还完全不违背相对论的核心逻辑,甚至成为我们理解宇宙演化与量子世界的关键。
第一种远超光速的 “速度”,是宇宙膨胀的速度。
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1929 年,天文学家哈勃通过观测发现,远处的星系都在远离地球,且距离越远的星系,远离速度越快 —— 这一现象证明,宇宙正在不断膨胀。根据现代宇宙学的测算,宇宙的膨胀速度并非恒定,而是在 “暗能量” 的推动下加速膨胀,其 “哈勃常数” 当前的测量值约为 73 公里 /(秒・百万秒差距)(1 百万秒差距约等于 326 万光年)。这意味着,对于距离地球超过约 140 亿光年的星系,它们远离地球的速度已经超过了光速。
为何宇宙膨胀速度可以突破光速限制?关键在于,宇宙膨胀的本质是 “时空本身的膨胀”,而非星系在 “预先存在的时空” 中运动。相对论禁止的是 “物质在时空内的运动速度超过光速”,而时空本身的膨胀不受这一限制 —— 就像一块正在充气的气球,气球表面的点(类比星系)并没有 “主动运动”,而是随着气球(类比时空)的膨胀被彼此推开,它们之间的远离速度,取决于气球膨胀的整体速率,而非点自身的运动能力。
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更形象地说:如果我们在气球表面画两个点,当气球膨胀时,两点间的距离会增加,且距离越远,单位时间内增加的距离越多。对于宇宙中的星系,它们就像气球表面的点,被膨胀的时空 “带着跑”,其远离速度是时空膨胀的 “累积效应”,而非星系自身在时空内的运动。因此,即使这些星系的远离速度超过光速,也不会违背相对论 —— 因为没有任何物质或能量在时空内以超光速传递,星系本身也没有 “打破” 光速限制,只是时空膨胀的结果。
这种超光速的宇宙膨胀,不仅不违背物理规律,还能解释宇宙中的诸多现象。
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比如,我们能观测到的 “可观测宇宙” 半径约为 465 亿光年,远超宇宙 138 亿年的年龄乘以光速(约 138 亿光年)—— 正是因为宇宙膨胀的速度超过光速,那些早期宇宙发出的光,在传播过程中被膨胀的时空 “拉远”,最终需要更长时间才能抵达地球,才让我们能观测到比 “光速 × 宇宙年龄” 更广阔的范围。若宇宙膨胀速度不超过光速,我们的可观测宇宙范围会小得多,也无法看到如此多遥远的星系。
第二种远超光速的 “速度”,是量子纠缠的 “响应速度”。
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在量子力学中,两个处于 “纠缠态” 的粒子(如电子、光子),无论相隔多远,只要测量其中一个粒子的状态(如自旋方向),另一个粒子的状态会瞬间确定,仿佛两者之间存在 “超光速的通信”。比如,将一对纠缠光子分别送往地球和火星,当我们在地球测量其中一个光子的自旋为 “上” 时,火星上的另一个光子自旋会瞬间变为 “下”,这个 “响应过程” 的速度,经实验证实至少是光速的 1000 倍,甚至可能是无限快。
量子纠缠的 “超光速响应”,为何不违背相对论?核心在于,这种 “响应” 无法传递任何有用的信息或能量 —— 相对论禁止的是 “超光速传递信息或能量”,因为这会导致 “因果律被破坏”(比如让信息先于事件发生)。而量子纠缠的状态是 “随机的”:我们无法预先设定某个粒子的状态,只能在测量后得到一个随机结果,另一个粒子的状态也随之随机确定。
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由于结果是随机的,我们无法通过改变一个粒子的状态,来 “控制” 另一个粒子的状态以传递信息 —— 就像两个人各持一个随机数发生器,无论相隔多远,只要一个人按下按钮得到一个随机数,另一个人也会瞬间得到对应的随机数,但两人无法通过这个过程传递 “你好”“123” 这类有意义的信息。
因此,量子纠缠的超光速 “响应”,只是量子世界 “非局域性” 的体现 —— 它说明微观粒子之间的关联,不依赖于空间距离,却无法用于超光速通信或能量传递,自然也就不违背相对论的核心限制。如今,量子纠缠的这一特性已被广泛应用于 “量子通信” 和 “量子计算” 领域:量子通信利用纠缠态的 “不可克隆性” 实现绝对安全的加密,量子计算则利用纠缠态的 “叠加性” 实现高效的并行计算,但这些应用都没有突破 “信息传递不超过光速” 的底线。
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