到底有沒有超光速？

今天我們來說說超光速。這個超勁爆、超現實的謎，惹得無數人為之著迷。

既然要說透【超光速】，就得先說明白【光速】。

光速的定義

是指所有無質量粒子以及所對應的場波動，在真空中的運行速度。

什麼意思？說得直白點，就是光在真空中的速度。作為物理常數，一般標記為c，眾所周知光速是每秒30萬公里，精確值是每秒299,792,458 米。

用這個速度可以衍生出一些光行距離，方便使用：光秒、光分、光時、光年。比如說，地球到月球距離是1.3光秒，地球到太陽距離是8.3光分，地球到土星1.18光時，地球到比鄰星是4.3光年，到仙女座星系是250萬光年，到可觀測宇宙邊緣是465億光年。

那麼光到底是啥東東？

光，既是振蕩的電磁波，也是行進的光子，這些攜帶能量的小包裹，可以同時表現出波和粒子的兩種特性，獨特穿越於宇宙間。光就像宇宙的生命線，將能量從一個原子送往另一個原子，或者耗費數十億年跨越漫長的時空，將能量從一個星系送往另一個星系……說得詩意點，「光不僅是探索宇宙奧秘的工具，它本身就是奧秘」。

問題來了，為啥說物體運動的速度上限就是光速？

為啥愛因斯坦說光速不能被超過就不能超過？他的話為啥成了金科玉律？

請記住，光速作為物理常數，也是逐漸被認識的，並不是人為規定的極限。

早在亞里斯多德時代或者牛頓時代，光一直都被認為是瞬間就能達到，光速無限大。

直到1676年，丹麥天文學家奧勒·羅默測定光速是每秒22萬公里，儘管比實際數值低了26%，但無疑具有重要的開創意義。直到將近兩百年後，英國物理學家麥克斯韋建立電磁理論，才有了光傳播的正確理論。可以說測定光速，為20世紀誕生的相對論——終結絕對時空觀，開了第一槍。

史上最著名的公式莫過於質能轉換方程了，大家知道E = mc^2（E代表能量，m代表質量，c代表光速），再清楚不過地顯示了一條鐵律：沒有什麼帶有質量的東西能夠達到光速運動，更不要說超光速了！

因為從顛撲不破的公式可以看出：能量和質量是等價的。物體由於運動具有的能量，應該加到它的質量上去。

比如說，以10%光速運動的物體，質量比原先增加了0.5%，但以90%光速運動的物體，質量變得比正常質量的兩倍還多。當物體越接近光速時，它的質量就越大。反過來也就是說，一個物體永遠都不可能達到光速，因為那時質量會變成無限大，而根據質量和能量等價原理，這就需要無限大的能量才能做到。

歐洲核子研究中心作為全世界最強大的粒子加速器機構，幾乎每天都在驗證著這條顛撲不破的鐵律。無論給加速器輸入多麼大的能量，粒子的速度也只能與光速稍微再接近一點。有些粒子甚至被加速到跟光速只差0.00001%，但還是沒有任何實物粒子的速度可以達到光速。

總而言之，愛因斯坦在狹義相對論中提出的兩個先決條件：光速不變和光速不能被超過，並非來自什麼魔力，更不是拍腦袋硬性規定，而且他正好完美揭示了一個自然法則。

正是愛因斯坦拿著這個「光速不變和光速不能被超過」這桿槍，才開始革掉牛頓絕對宇宙觀的命。此話怎講？

牛頓的經典理論都是建立在絕對時空基礎上的。經典力學中的所謂空間，就像是一個無限延展的、具有固定坐標的大框架；所謂時間，就是擺放在宇宙中央、永遠均勻擺動的一個大笨鐘。宇宙所有的人事物都放在這個絕對的大框架中，相互作用和運動。同一個宇宙，擁有同一個空間坐標，同一個時間座鐘。在這種絕對時空里，牛頓雖然也研究光、引力，但他認為這些作用的傳播不需要時間，也就是光速無限大，是超距的、瞬時的。

但愛因斯坦否定了這種超距、瞬時的觀點，光速也是一個有限數值，而且是宇宙中信息和能量傳播速度的最高上限。

由此可以推導出：每個觀察者都一定有自己的時間測度，都是以自帶的鐘錶為準。不同觀察者攜帶同樣精準的鐘錶，但讀數沒必要、也不可能完全一樣。

看到這兒，你可能不太理解，感覺有些反直覺。這是因為我們沒有這麼高精尖的鐘錶，也沒有工夫去嚴謹觀測。不過，科學家早就替我們驗證過了。

1962年，科學家把兩個原子鐘分別放在水塔的頂部、底部。底部的鐘相對來說更接近地球的球心，比放在水塔頂部的鐘跑得慢。同樣一個水塔，頂部和底部的時間並不相同。

另一個經典栗子：我們經常使用手機導航吧，天上的那32顆GPS衛星，就跟地面上的我們不是一個時間，兩個相對論效應相減後，得出每天比地球表面快38微秒。這是啥概念？有多大差別？如果不把這細小的時差校正的話，每天可能會引起我們高達100多米的導航位置偏差。

再來把思想實驗：如果你以10%光速，也就是每秒3萬公里往返一趟海王星，只需不到4天的時間，當返回地球時，你已經比自己的女票／男票年輕了25分鐘。

這就是速度、引力決定下的相對論效應——每個人、每個物體都有自己的時間，所經歷的時間各不相同。時間與長度取決於觀察者。

簡單來說，狹義相對論揭示了速度對時鐘的影響：速度越快，時間越慢。廣義相對論揭示了引力對時鐘的影響：引力越大，時間越慢。

說到這兒，我們就可以理直氣壯地得出結論：如果沒有「光速不變和光速不能被超過」作為前提，就沒有現代物理學和宇宙學所構建的這個世界。反過來，如果存在超光速的物體運動，那麼這個世界就是錯的。

此刻可能有人反問了：一個波動的相速度，不是可以輕鬆超過光速嗎？費曼圖中的虛光子不是也能超光速嗎？量子糾纏現象不是也能超光速嗎？

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

因為剛才我說了：愛因斯坦理論的前提條件是光速不變和光速不能被超過，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。儘管這些現象都能超光速，但跟光速有個本質上的區別——並沒有傳遞信息和能量！

▲藍點以群速度運動，綠點以相速度運動，紅點以波前速度運動。然而，相速度並沒有攜帶信號／信息進行超光速。

有人認為量子糾纏可以達到超光速的信息傳遞，但目前科學界主流意見認為不可能，頂多只能加快信息傳遞的速度，接近光速。

還有人會說，目前觀測到超過光速的宇宙膨脹速度，難道不是真實存在嗎？如果一個遙遠星系正以超光速的退行速度遠離我們，而我們恰好又收到了它發出的已經紅移了的光線，這不正是信息傳遞速度超過了光速的證據嗎？

先可以肯定地說，現今可觀測的距離範圍內，宇宙膨脹速度（退行速度）確實已經超過了光速。但這是宇宙空間構造本身的膨脹超光速，並不是信息傳遞速度實現了超光速。

還是打個比方吧——

我們現在接收到一個遙遠星系的光波，比如說是數十億年前發出來的。當時這束光波被派出來後，就高高興興地飛到宇宙中開始了時空旅行，就像遊子離開了母親一樣，從此失去了聯繫。飛著飛著宇宙膨脹了，那個星系跟地球之間的距離增加了，但這個光波毫不知情。自己也因為空間膨脹而被拉長，頻率變低了。經歷幾十億年後，這個光波終於來到了地球，可他並不知道母親星系後來的情況，報告給我們地球人的所有母親星系的消息，其實只是過時了的信息。

現在再看看，

信息速度和能量速度又是怎麼定義的？

按照速度=距離／時間公式：傳遞信息／能量的固有速度等於，跟信息／能量一起運動的觀察者測量的距離，除以自帶時鐘測量的經過時間。

前面說過，速度跟觀察者無關，但時間與長度取決於觀察者，取決於自帶的鐘錶和尺子。這就需要用到洛倫茲變換公式，還是省省吧。

即使不經過複雜的計算，我們也大可不必驚喜這個光波傳遞信息的速度會超過光速。因為你想啊，這個信息本身就是由這個光信使傳過來的，傳遞的速度頂多就是光的速度，何談什麼自我超越——超光速的光呢？

我在為什麼宇宙年齡138億年，宇宙直徑卻有930億光年？ - 知乎專欄文中已經說過，這都是一種觀察效應，實際速度跟觀察者無關，跟真正的所謂能量和信息的超光速傳遞不是一回事兒。其實，這是宇宙空間本身的膨脹速度超過了光速，不是信息傳遞速度實現了超光速。所以並不違背相對論，更不能說相對論不成立。

再說一遍，現在已知的所謂「超光速」，都沒有傳遞信息和能量！但凡傳遞信息和能量的最高上限，就是光速！

至於，義無返顧地迷戀超光速的，還是一頭扎進那些著名的科幻作品裡頭吧，任意逍遙，神遊宇宙——當然不受宇宙鐵律的限制??。