超越光速的几种方式 开脑洞

光速c是一个绝对物理常量。无论你在宇宙中的何方，无论你相对于某一件东西的运动速度有多快，真空中的光速永远是一样的

光速c是一个绝对物理常量。无论你在宇宙中的何方，无论你相对于某一件东西的运动速度有多快，真空中的光速永远是一样的。人们经常从中得到这样一种暗示，即没有物体的运动速度可以超过光速。但事情并没有那么简单。事实证明通过多种方式，取决于我们对“物体”、“超光速”和“运动”的不同定义，物体的运动速度可以超过光速。

“切伦科夫辐射”产生的蓝光。图/Matt Howard

首先，不可改变的光速是指光在真空中的速度。当光线穿越某种物质，它前进的速度就会降低。根据不同的折射指数n，实际光速就是c/n。（在大多数情况下，n的值都大于1。）举例来说，当光穿越水的时候，它的速度大约是0.75c。正因为如此，在某种物质内部，当光速低于c时，运动中的粒子“突破光速屏障”是有可能的。

例如，核反应堆内的电子会释放出巨大的能量，它们的运动速度接近光速c。当这些电子穿越包围着反应堆的冷却液（水）时，它们的运动速度就要高于水中的光速，从而突破光速屏障。我们可能对飞机突破音障时产生的爆裂声比较熟悉，这种声音是因空气的震荡产生的。而当电子的速度突破光速屏障时，也会产生一种相似的效应。突破光速的电子会产生一种光学“震荡波”，名为“切伦科夫辐射”，它会使核反应堆发出蓝光。

太阳的结构：核、辐射层、对流层及其表面。图/NASA、Jenny Mottar

另一种介质超光速现象是恒星内的声波。在太阳（或任何其他恒星）内部，光是从其内核的核聚变反应中产生出来的。如果以光速运动，它只需两至三秒钟就能到达太阳表面。但是太阳内部的密度非常高，充满了带电粒子，光在其中无法走出一条直线。光子在太阳的内核中运动，平均不出一厘米就会与一个离子相撞。因此它的运动方向几乎会被散射成无序的。想像一个光子想要离开太阳，但是每行进一厘米，它前进的方向都会被无序地反弹。光子在太阳内部的这种无序前进方式，意味着它从太阳的内核到达表面实际所需的时间大约是2万至15万年。

但是声波的扩散方式不同。它们是在某种物质内进行能量传递的压缩波，而不是传送这种物质本身。所以它们不受太阳内核离子的影响。太阳内部声波传递的速度大约是每秒数千米，它们会导致太阳整体的震颤。对这种声波震颤进行研究的学科名为“日震学”，如果研究的对象是其他恒星，则名为“星震学”。通过对这些声波的分析，我们可以测定太阳内部多方面的特性，比如密度和压力。

虽然以上这些都说得没错，但是你肯定会有疑问，这些现象都不是事实上的超光速旅行。在真空中是否可以超越光速呢？感谢广义相对论，这在某种方式上是有可能的。

图/NASA、ESA、G. Illingworth、D. Magee和P. Oesch（圣克鲁兹加州大学）、R. Bouwens（莱顿大学）和HUDF09小组

1920年代后，我们发现星系越是遥远，它们的红移就越大，因此它们远离我们而去的速度就好象越快。这种红移和距离间的关系被称为“哈勃定律”。慢慢的我们开始懂得，这种关系不是因为星系起源于同一个点随后加速跑开，而是因为空间本身在膨胀。

宇宙膨胀的速率已被测定，名为“哈勃常量”。依照我们当前精度最高的测量结果，哈勃常量大约是（20公里/秒）/百万光年。它的含义是相隔一百万光年的两点间互相远离的速度是每秒20公里。因为所有空间都在膨胀，因此太空中两点间的距离越长，它们远离的速度就越快。正因为如此，我们可以想像一下，假如两点间的距离足够长，那它们相互远离的速度就会高于光速。光速大约是30万公里/秒，根据哈勃常量，这个临界距离大约是150亿光年。

与我们相距160亿光年的星系正以超光速远离我们而去，而这个遥远的星系却没有违反相对论。以那个星系的视角来看，我们也是以超光速远离而去的，因为速度是相对的。理解这一点的关键是，这种相对的运动是由宇宙的膨胀造成的，而不是星系的运动。相对论要求一切运动速度都不能超过光速，但空间本身的膨胀并不受此约束。

最离奇的超光速互动也许就是量子纠缠了。假定我们有一个共同的顽皮朋友。她打算搞一个恶作剧，给我们分别寄了一对手套中的一只。这些手套被装进一个盒子，并分别邮寄给我们两人。我们已经知道这是个恶作剧，所以我们都知道将受到这对手套中的一只。但是在我们打开盒子前，都不知道会收到这对手套中的哪一只。盒子一旦到达，打开后你发现收到的是一只左手手套。而与此同时，你立刻就能知道我收到的肯定是一只右手手套。

这是“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）”实验的基本观点。用手套打比方严格地说并不确切，因为它并不是量子物体。在量子理论中，事物在你观察到之前都是不确定的。这就好像你的盒子中可能会有一对什么（手套或鞋子，等等），但在进行测量前，不可能知道它的特点（左或右，上旋或下旋，等等）。

依照量子理论，我们能够指出的是盒子中有一种可能性的叠合产物，而结果是什么，只在我们进行观察后才会明确。换言之，打开盒子的结果处于纠缠态中。知道这个盒子里有什么，就能够告诉我们另一个盒子里有什么。事实上我们可以通过光子、原子这样的粒子来做这个实验，而结果确实如此。

在这个实验中，我们消除了许多可能性，如隐含的变量或预设的结果。通常来说这些在“盒子”寄出前就已经完成，随后用一个随机数发生器来决定你打开的是“手套”、“鞋子”还是其他。既然选择都是随机的，而且选择是在实验开始后才作出的，那么在这个体系内，就不会有针对实验结果的更多了解。理论上，我们可以在跨越数十亿光年的距离上做这个EPR实验。一种方案是把类星体当作触发器，用以取代随机数发生器，来决定每个人的观察结果是什么。

假如我们运用标准的“哥本哈根诠释”对纠缠体系中名为“坍缩波函数”的阶段进行解释，那波函数的这种坍缩是在瞬间发生的，因此明显要比光速还要快。但是这同样也不违反相对论，因为体系内的信息传递并没有超越光速。换句话说，你关于测量的知识，别的观察者是不会通过超越光速的方式获得的；他们的观测结果将一直是不明确的，直至收到你关于他们纠缠体系的信息。

要对纠缠态光子进行实验，每个观察者都要决定测量什么（通常是它的极化状态）。假如我决定测量它的垂直极化状态，而得到的结果是向上，那我知道的唯一一件事是，假如你测量另一个垂直极化状态，得到的结果肯定是向下。假如你测量了它不同的方向，比方说水平方向，那我就无法获知你得到的结果会是什么。但即使我们事先同意都在垂直方向上进行测量，知道别人的结果也没什么意义，因为结果都是随机的。这就是说，很不幸，用这种方式来进行超光速信息传递是行不通的。

图/星际穿越中的科学

有许多东西的速度能够超越光速，我们可以直接造出某种设备来达到那样的目的，因为相对论并没有禁止超越光速。它真正禁止的是在真空中以超光速传递信息或物体。因此――除非我们对弯曲时空和穿越虫洞这样的方式十分在行――否则前往其他恒星仍然需要花上几年、几个世纪，甚至几千年。