核心提示：“真空光速不可超越”是现代物理学的基石之一 ， 任何严格意义上超越真空光速的现象 ， 都将意味着现代物理学体系的重构 。但是 ， 如果在概念上玩一些小花招……图片来源：Pixabay撰文｜王昱审校｜吴...
“真空光速不可超越”是现代物理学的基石之一 ， 任何严格意义上超越真空光速的现象 ， 都将意味着现代物理学体系的重构 。但是 ， 如果在概念上玩一些小花招……
图片来源：Pixabay
撰文｜王昱
审校｜吴非
【超光速系列 超光速运动】2011年 ， 探测中微子振荡的OPERA实验组宣布了一个令人震惊的结论：他们测得中微子速度超越了真空中的光速 。这在物理学界即将引起了轩然大波 ， 多数物理学家认为 ， 一定是实验出了问题 。最后 ， 在接近一年的细致排查后 ， OPERA实验组发现这只是一次乌龙——这个实验结果是由于一个光纤接口不坚固而导致的 。
当年的罪魁祸首（图片来源：G. Sirri/INFN BOLOGNA）
从一个世纪前爱因斯坦建立狭义、广义相对论时起 ， 真空光速的限制就是现代物理学中从未被打破的天条 。在任意参考系中 ， 真空光速都是一个定值 ， 这是相对论的基础假设之一 。物体从静止不断加速的过程中 ， 质量会不断增大 ， 加速所需要的能量也会在接近光速时趋近于无穷 。因此任何原来亚光速的物体 ， 在理论上都不可能超光速 。
不过 ， 之所以说物理是一个很严谨的学科 ， 是因为一但我们在定义上耍一些滑头 ， 不少物理定律也就不再适用了 。对于光速而言 ， 也是如此 。在真实世界中 ， 我们的确可以找到一些超光速的例子 。
超速的喷流
在宇宙这个极端物理实验室中 ， 天文学家的确找到了超光速的例子——相对论性喷流 。
3C 273的喷流速度在我们看来是光速的9.6倍（图片来源：Chandra X-ray Observatory/NASA）
准确来说 ， 在我们的参考系中看来 ， 朝向我们的相对论性喷流中物质的速度是超光速的 。1969年 ， J. GUBBAY等人就在《自然》上发表论文表示 ， 他们观测到3C 273喷流的速度超越了光速 。这一结论在1981年《自然》上的一篇论文中得到了证实：研究团队通过对照1977年和1980年的照片 ， 发现3C 273喷流的速度在我们看来确实超越了光速 ， 是光速的9.6倍 。
想象一队正向营地前行的士兵 ， 大部队派一名传令兵奔向营地的观察者 ， 向观察者报告大部队和营地之间的距离 。当大部队前行的速度仅比传令兵慢一点时 ， 就会浮现这样的情况——上一秒传令兵刚刚达到营地 ， 报告大部队在10里之外 ， 下一秒 ， 大部队就抵达了营地 。在观察者看来 ， 大部队在1秒内跑过了10里 ， 比传令兵还要快 。在极端相对论性喷流中 ， 喷流物质“大部队”和光子“传令兵”的速度十分接近 ， 一同奔向观察者 ， 就会让观察者看来 ， 喷流物质“大部队”超越了光子“传令兵”的极限速度光速 。本质上 ， 这种现象就是一种可以由相对论预言的视错觉 ， 相对论性喷流只是看起来超光速 ， 实际上并没有超光速 。
遇事不决 ， 量子力学
遇事不决 ， 量子力学 ， 超光速领域同样也有量子力学的一席之地——量子纠缠 ， 量子隧穿都能“超光速” 。
高中课本就已经介绍过量子纠缠 ， 爱因斯坦还称它为“幽灵般的超距作用” 。粒子之间的某些属性可以发生纠缠 ， 例如在某个方向上 ， 测定一个粒子的自旋为上旋态 ， 则另一个与其纠缠的粒子自旋一定为下旋态 。无论两个粒子相距多远 ， 菜叶网 ， 测量都会让它们瞬间塌缩到相应的状态 ， 速度远超光速 。
量子隧穿是另一种由量子力学推导出的现象 。由于波函数的性质 ， 粒子本来是可以“穿墙”的 。1962年 ， 得州仪器（Texas Instruments）的一位半导体工程师托马斯·哈特曼（Thomas Hartman）撰写了一篇论文 ， 表明量子隧穿过程中 ， 其波包的速度是可以超光速的 。并且 ， 隧穿过的“墙”越厚 ， 隧穿速度就越大 ， 没有上限 。
量子隧穿示意图（图片来源：Wikipedia）
不过固然 ， 量子纠缠无法单独超光速传递信息和能量 ， 量子隧穿整体的速度也都在光速之内 。就算是利用到量子纠缠的量子隐形传态 ， 当作一个整体 ， 也不可能超光速传递信息 。两个相互纠缠的量子比特 ， 一个蓦地改变了状态 ， 想要获得其中的信息 ， 还需要用到以传统技术传输过来的信息 ， 这导致它整体的信息传输速度一定是亚光速的 。
群速度和相速度
波除了我们熟知的波速之外 ， 还具有群速度和相速度这两种特别的速度 。当两束频率不同的波叠加时 ， 就会让波的振幅产生周期性的变化 ， 这个周期性形状向前挪移的速度就是群速度 。相位则是波中特定状态的位置 ， 相速度就是特定相位传播的速度 ， 比如震动到最大值的相位 ， 或者震动到位置为0的相位挪移的速度就是相速度 。只要不传递信息和能量 ， 这两种速度都能超光速 。
绿点代表群速度 ， 红点代表相速度（图片来源：Wikipedia）
在大部分情况下 ， 群速度是能量和信息沿着波传播的速度 ， 是不能超光速的 。不过 ， 也有特别情况 。2009年 ， 就有科学家在《科学》杂志上发表论文 ， 表示他们可以自由操纵光脉冲在固体色散材料（dispersivematerial）中的群速度 。他们可以将群速度调整到慢于光速 ， 快于光速 ， 甚至可以为负数 。在这种情况下波整体的形状变化很快 ， 但信息和能量并不能以群速度传播 。
而利用类似相速度的原理就更容易超光速了 。夜晚拿一根激光笔照向月球 ， 理论上月面上会有一个暗到看不见的光斑 。这时只要快速晃动激光笔 ， 月球上的光斑就是超光速的 。在这种情况下 ， 可以大致理解为月球上浮现光斑的“相位”挪移速度是超光速的 。虽然光斑的挪移速度的确超越了光速 ， 但是光斑之间彼此并不能让任何信息或能量超光速传递 ， 也就没有违反相对论的假设 。
甚至 ， 仅靠机械结构就能超光速 。如果将两个刀片以一个很小的夹角放置 ， 比如20毫角秒（1度=3600角秒 ， 1角秒=1000毫角秒） ， 保持这个角度 ， 让两个刀片以3米/秒以上的速度合到一起 ， 那么两个刀片的交点就是超光速的 。这个过程中两个刀片的交点就是一个“相位” ， 可以超光速 。因为交点只是两个刀片几何关系的一种体现 ， 没有与其对应的质量 ， 不能传递能量和信息 。（相速度的定义实际上要更严格一些 ， 这两段只是类比 ， 不是严格意义上的相速度 。）
两刀片的交点（红点）在符合上文条件时 ， 是可以超光速的 。
物理学的天条
除此之外 ， 介质中的光速也可以被轻松超越 。譬如在水中 ， 光速大约就是真空光速的2/3 。核反应堆运行时 ， 其中放射性粒子的速度很容易就能超越水中的光速 ， 从而发射出幽蓝色的切伦科夫辐射（Cherenkov radiation） 。利用切伦科夫辐射 ， 科学家还能对中微子、潜在的暗物质粒子进行探测 。
美国爱达荷国家实验室ATR核心发出的切伦科夫辐射辉光（ 图片来源：Wikipedia）
科幻作品中常见的曲率引擎 ， 虫洞等 ， 也是一类为人熟知的超光速技术手段 。这种技术也并非毫无道理 ， 至少它符合广义相对论的推导 。但是 ， 同样是由推导得出 ， 想要通过控制空间实现超光速运动 ， 需要负能量、负质量 。而关于负能量、负质量的理论还都是一片空白 。显然 ， 在当前的物理水平下 ， 这些科幻技术也只能是美好的幻想了 。
总之 ， 不论是什么能超光速的手段 ， 按照严格定义来说 ， 都没能让信息和能量传播的速度大于真空光速 。一个世纪以前 ， 爱因斯坦假设的光速不变原理仍然没有被打破的迹象 ， 成了物理学的天条之一 。不过 ， 物理学是基于实验的科学 ， 光速的限制并不意味着它不可触碰 。反而 ， 如果有实验真真切切证明真空光速的限制可以被突破 ， 那意味着物理学现在的“天”已经过时了 ， 我们定会在那时迎来另一场物理学的狂欢 。
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