超光速超光速(faster-than-light,FTL或稱superluminality)會(huì)成為一個(gè)討論題目，源自于相對論中對于局域物體不可超過真空中光速c的推論限制，光速成為許多場合下速率的上限值。在此之前的牛頓力學(xué)并未對超光速的速度作出限制。而在相對論中，運(yùn)動(dòng)速度和物體的其它性質(zhì)，如質(zhì)量甚至它所在參考系的時(shí)間流逝等，密切相關(guān)，速度低于（真空中）光速的物體如果要加速達(dá)到光速，其質(zhì)量會(huì)增長到無窮大因而需要無窮大的能量，而且它所感受到的時(shí)間流逝甚至?xí)Ｖ埂?/p> 
真空中的光速對任何觀察者來說都是相同的。 光速不變原理，在狹義相對論中，指的是無論在何種慣性系（慣性參照系）中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個(gè)常數(shù)，不隨光源和觀察者所在參考系的相對運(yùn)動(dòng)而改變。這個(gè)數(shù)值是299,792,458 米/秒。
證明光速不變的四項(xiàng)事實(shí)。
(1) 恒星光行差。
(2) 恒星都是一個(gè)一個(gè)的小圓點(diǎn)。
(3) 恒星都靜止。
(4) 太陽光邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)。
任意恒星光行差都長期保持不變，證明：光行差不隨時(shí)間變化，所以光速也不隨時(shí)間變化。所有恒星的光行差都為20.5″角距，證明：所有恒星的光速都相同。
《系統(tǒng)分析恒星光行差》中已經(jīng)詳細(xì)論證了“光速不變”，所以不再重復(fù)。
恒星都是一個(gè)一個(gè)的小圓點(diǎn)，證明：任意一個(gè)恒星的所有的光線的光速都相同，即沒有不同光速的光線。
因?yàn)闆]有任何光速‘變化’的現(xiàn)象，所以只有采用‘反證法’。
設(shè)：某恒星發(fā)來兩種光速的光線；光速為c的光線，用c表示；光速為C的光線，用C表示；光速c>C
因?yàn)閏和C都是連續(xù)的，所以觀測者能夠同時(shí)接收到c和C；但觀測者同時(shí)接收到的c和C,必然不是同時(shí)從恒星發(fā)出的。
因此設(shè)：c發(fā)出的時(shí)刻為零；C發(fā)出的時(shí)刻為t；恒星零時(shí)刻的位置為A；t時(shí)刻的位置為B；因恒星周日視運(yùn)動(dòng)角速度ω=15.0411″/秒，所以A、B之間的角距φ=ωt
再設(shè)：φ=10′（太陽直徑的1/3)；恒星距離L=30光年。
則：t=φ/ω=10×60÷15.0411≈40（秒）
c傳播的時(shí)間T1=L/c=30（年）≈86400×365=946080000（秒）
C傳播的時(shí)間T2=L/C
據(jù)題意知：T2=T1+t=L/c+t=946080000+40=946080040（秒）
所以：C=L/T2=946080000c/946080040≈0.9999999577c≈299999.987（公里/秒）
即：如果φ=10′，則c－C=300000－299999.987=0.013（公里/秒）=13（米/秒）
也就是說：如果兩條光線的光速差為13米/秒，則這顆距離為30光年的恒星，就同時(shí)在角距為10′的A和B兩個(gè)位置上。
光速連續(xù)比間斷變化的可能性大得多，如果恒星光速是在C和c的范圍內(nèi)連續(xù)變化的，則看起來，該恒星應(yīng)該是：長度為10′角距的線段。
因?yàn)閺奈纯吹竭^：恒星具有多個(gè)位置和任何拉長的現(xiàn)象，所以結(jié)論正確。
恒星都靜止，證明：所有恒星的光速都不隨時(shí)間變化，都始終恒為常數(shù)c不變。這是因?yàn)槿绻馑俨粩嘧兓?，則看起來恒星必然是運(yùn)動(dòng)的。證明方法與上述類似，不再重復(fù)。
太陽光邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)證明：太陽光的光速不變。
邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)的依據(jù)是：光速=波長×頻率
光波長和頻率都是根據(jù)光干涉條紋確定的。根據(jù)‘楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)’干涉條紋之間的間距，能夠獨(dú)立推算出‘光波長’，自然可確定‘光頻率’。
這樣推算確定的光波長和頻率的乘積為常數(shù)，即不同顏色光的波長和頻率的乘積相等；而且乘積數(shù)值等于檢測的‘光速值’；從而充分證明：‘光速=波長×頻率’成立。
邁克爾遜和莫雷通過長期多次分別檢測，來自不同方向的陽光的光速，充分證明：陽光的光速不變。
“下面的考慮是以相對性原理和光速不變原理為依據(jù)的，這兩條原理我們定義如下：
1. 物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標(biāo)系究竟是兩個(gè)在互相勻速平行移動(dòng)著的坐標(biāo)系中的哪一個(gè)并無關(guān)系。
2. 任何光線在‘靜止的’坐標(biāo)系中都是以確定的速度V運(yùn)動(dòng)著，不管這道光線是由靜止的還是運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射出來的?！?
“對于大于光速的速度，我們的討論就變得毫無疑義了；在以后的討論中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，光速在我們的物理理論中扮演著無限大速度的角色?！?
“由此，當(dāng)υ=V時(shí)，W就變成無限大。正像我們以前的結(jié)果一樣，超光速的速度沒有存在的可能。”
突破光速、超越時(shí)空是不少科幻小說的主題，但愛因斯坦的相對論斷言光速是任何物質(zhì)在真空中的最快速度，小說家的幻想沒有依據(jù)。一些歐洲科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，中微子速度超過光速。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)檢驗(yàn)得以確認(rèn)，愛因斯坦提出的經(jīng)典理論相對論將受到挑戰(zhàn)?？茖W(xué)界認(rèn)為這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是在愛因斯坦的理論上“炸開一個(gè)大洞”。
快60納秒
意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室“奧佩拉”項(xiàng)目研究人員使用一套裝置，接收730公里外歐洲核子研究中心發(fā)射的中微子束，發(fā)現(xiàn)中微子比光超光速子提前60納秒（1納秒等于十億分之一秒）到達(dá)，即每秒鐘多“跑”6公里?！拔覀兏械秸痼@?！比鹗坎疇柲岽髮W(xué)物理學(xué)家、“奧佩拉”項(xiàng)目發(fā)言人安東尼奧·伊拉蒂塔托說。
英國《自然》雜志網(wǎng)站22日報(bào)道這一發(fā)現(xiàn)。研究人員定于23日向歐洲核子研究中心提交報(bào)告。
“奧佩拉”項(xiàng)目發(fā)言人伊拉蒂塔托說，項(xiàng)目組充分相信實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繼而公開發(fā)表結(jié)果?！拔覀儗?shí)驗(yàn)結(jié)果非常有信心。我們一遍又一遍檢查測量中所有可能出錯(cuò)的地方，卻什么也沒有發(fā)現(xiàn)。我們想請同行們獨(dú)立核查?！?/p>
這一項(xiàng)目使用一套復(fù)雜的電子和照相裝置，位于格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室地下1400米深處。
這不是愛因斯坦的光速理論首次遭遇挑戰(zhàn)。2007年，美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室研究人員取得類似實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但對實(shí)驗(yàn)的精確性存疑?！?/p>
可能撼動(dòng)現(xiàn)代物理學(xué)基石
這一最新發(fā)現(xiàn)可能撼動(dòng)現(xiàn)代物理學(xué)的基石。法國物理學(xué)家皮埃爾·比內(nèi)特呂告訴法國媒體，這是“革命性”發(fā)現(xiàn)，一旦獲得證實(shí)，“廣義相對論和狹義相對論都將打上問號(hào)”。
歐洲核子研究中心物理學(xué)家埃利斯對這一結(jié)果仍心存疑慮?？茖W(xué)家先前研究1987a超新星發(fā)出的中微子脈沖。如果最新觀測結(jié)果適用于所有中微子，這顆超新星發(fā)出的中微子應(yīng)比它發(fā)出的光提前數(shù)年到達(dá)地球。然而，觀測顯示，這些中微子僅早到數(shù)小時(shí)。“這難以符合‘奧佩拉’項(xiàng)目觀測結(jié)果?！卑＠拐f。
美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室中微子項(xiàng)目專家阿爾方斯·韋伯認(rèn)為，“奧佩拉”可能存在測量誤差。就韋伯而言，即使實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得確認(rèn)，相對論“仍是優(yōu)秀理論”，只不過“需要做一些擴(kuò)充或修正”?！?strong>意大利研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子超光速
問：“超光速”如何被發(fā)現(xiàn)？
答：“奧佩拉”項(xiàng)目研究人員接收730公里外歐洲核子研究中心發(fā)射的中微子束，發(fā)現(xiàn)中微子比光子提前60納秒（1納秒等于十億分之一秒）到達(dá)，即每秒鐘多“跑”6公里。過去兩年，他們觀測到超過1.6萬次“超光速”現(xiàn)象。
問：這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是否意味著相對論不再成立了？
答：許多專家認(rèn)為，即使實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得確認(rèn)，相對論“仍是優(yōu)秀理論”，但“需要做一些擴(kuò)充或修正”。但也有專家認(rèn)為，如果真的證實(shí)這種超光速現(xiàn)象，其意義十分重大，整個(gè)物理學(xué)理論體系或許會(huì)因此重建。一種超光速的流體解釋已經(jīng)被數(shù)學(xué)物理學(xué)家提出, 按照流體力學(xué)對電磁場論的補(bǔ)充推導(dǎo)，只要把超光速部分的方程變一個(gè)符號(hào)， 存在超光速不會(huì)進(jìn)入一個(gè)虛數(shù)空間。而是實(shí)實(shí)在在可以存在的雙曲型物理系統(tǒng)。
3月16日,歐洲核子研究中心16日公布最新測量結(jié)果顯示，去年9月“中微子振蕩實(shí)驗(yàn)”中，中微子運(yùn)行速度并未超過光速，原測量結(jié)果存在誤差。
歐洲核子研究中心研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人塞爾吉奧·貝爾托盧奇通過公報(bào)向媒體證實(shí)，有證據(jù)顯示，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到了測量誤差干擾。貝爾托盧奇表示，歐洲核子研究中心將繼續(xù)與意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室合作，在今年5月進(jìn)行新一輪“中微子振蕩實(shí)驗(yàn)”，以期給出準(zhǔn)確答案。
名詞解釋
中微子是一種極為神秘的物質(zhì)，在科學(xué)界有“鬼粒子”之稱。雖然中微子在宇宙廣泛出現(xiàn)，但是極難探測得到，科學(xué)家對它所知不多，1934年才確定它的存在，直至最近才確認(rèn)中微子有質(zhì)量。中微子從星體核聚變中產(chǎn)生，太陽便是其中一個(gè)產(chǎn)生地點(diǎn)。中微子是一種基本粒子，不帶電，質(zhì)量極小，幾乎不與其他物質(zhì)作用，在自然界廣泛存在。太陽內(nèi)部核反應(yīng)產(chǎn)生大量中微子，每秒鐘通過我們眼睛的中微子數(shù)以十億計(jì)。
相對論
相對論，愛因斯坦的經(jīng)典理論，是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)理論之一，認(rèn)為任何物質(zhì)在真空中的速度無法超過光速。除非粒子不攜帶信息。
2000年7月，由于英國《自然》（Nature,2000,406:277）雜志發(fā)表了一篇關(guān)于“超光速”實(shí)驗(yàn)的論文，引起了人們對超光速倒底是否存在的討論。其實(shí)對在介質(zhì)中使光脈沖的群速度超過真空中光速c， 科學(xué)家們早有研究，而Nature中報(bào)道的這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是實(shí)現(xiàn)了這種想法。但是這并非是人們想象的那種所謂違反因果律（或者相對論）的超光速，為了說明這個(gè)問題，讓我們看一看由華人科學(xué)家王力軍所做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
光脈沖是由不同頻率、振幅、相位的光波組成的波包，光脈沖的每個(gè)成分的速度稱為相速度，波包峰的速度稱為群速度。在真空中二者是相同的，但是在介質(zhì)中如我們所知道的存在如下的群速度與介質(zhì)。
折射率的關(guān)系：
vg = c / ng ， ng = n + ω（dn/dω）
顯然在一定的情況下（如反常色散很強(qiáng)的介質(zhì)）可以出現(xiàn)負(fù)的群速度，此時(shí)，光脈沖在介質(zhì)中傳播比真空中花的時(shí)間短，其差ΔT = (L/v) - (L/c）達(dá)到絕對值足夠大時(shí)就可以觀察到“超光速”現(xiàn)象，即“光脈沖峰值進(jìn)入介質(zhì)以前，在另一邊已經(jīng)有脈沖峰出射了”（由王力軍原文譯）。
那么這種超光速是不是違背因果律呢？我們仔細(xì)考查王的實(shí)驗(yàn)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，出射光脈沖雖然是在入射脈沖峰值進(jìn)入介質(zhì)之前出現(xiàn)的，但在這之前入射脈沖的前沿早已進(jìn)入介質(zhì)了（如圖），因此出射脈沖可以看作是由入射脈沖前沿與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的。其實(shí)王的實(shí)驗(yàn)重要意義正在于實(shí)現(xiàn)了可觀測的負(fù)群速度的這一現(xiàn)象，而不是像媒體炒作的那樣發(fā)現(xiàn)了什么“超光速”，負(fù)的群速度在這里就不能理解為光的速度了，它也不是能量傳輸?shù)乃俣?。?dāng)然，這一實(shí)驗(yàn)本身就說明我們?nèi)祟悓獾恼J(rèn)識(shí)又前進(jìn)了一步。對這個(gè)實(shí)驗(yàn)的解釋只憑折射率與群速度的關(guān)系這個(gè)公式是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這其中包含了量子干涉的效應(yīng)，涉及到對光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，揭開蒙在“超光速實(shí)驗(yàn)”頭上的面紗，仍然是科學(xué)家們奮斗的目標(biāo)。
很多人在了解了這個(gè)實(shí)驗(yàn)后就會(huì)想到能否用這種“超光速”效應(yīng)來傳遞信息，在王的實(shí)驗(yàn)中，“超光速”的脈沖不能攜帶有用的信息，因此也就無從談起信息的超光速傳遞，同樣能量的超光速傳輸也是不行的。
與超光速實(shí)驗(yàn)具有相同轟動(dòng)效應(yīng)的是另一種“超光速”現(xiàn)象
quantum teleportation即量子超空間傳輸（或量子隱形傳態(tài)），這個(gè)奇妙的超光速現(xiàn)象因其與量子信息傳遞及量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)有密切聯(lián)系而引起人們的關(guān)注。所謂超空間，就是量子態(tài)的傳輸不是在我們通常的空間進(jìn)行，因此就不會(huì)受光速極限的制約，瞬時(shí)地使量子態(tài)從甲地傳輸?shù)揭业兀▽?shí)際上是甲地粒子的量子態(tài)信息被提取瞬時(shí)地在乙地粒子上再現(xiàn)），這種量子信息的傳遞是不需要時(shí)間的，是真正意義的超光速（也可理解為超距作用）。在量子超空間傳輸?shù)倪^程中，遵循量子不可克隆定律，通過量子糾纏態(tài)使甲乙粒子發(fā)生關(guān)聯(lián)，量子態(tài)的確定通過量子測量來進(jìn)行，因此當(dāng)甲粒子的量子態(tài)被探測后甲乙兩粒子瞬時(shí)塌縮到各自的本征態(tài)，這時(shí)乙粒子的態(tài)就包含了甲粒子的信息。這種信息的傳遞是“超光速”的。
但是，如果一位觀測者想要馬上知道傳送的信息是什么，這是不可能的，因?yàn)榇藭r(shí)粒子乙仍處于量子疊加態(tài)，對它的測量不能得到完全的信息，我們必須知道對甲粒子采取了什么測量，所以不得不通過現(xiàn)實(shí)的信息傳送方式（如電話，網(wǎng)絡(luò)等）告訴乙地的測量者甲粒子此時(shí)的狀態(tài)。最終，我們獲得信息的速度還是不能超過光速！量子超空間傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)已在1997年實(shí)現(xiàn)了（見Nature,390,575.1997）。2011年7月已經(jīng)證實(shí)中微子超光速7公里（最后證實(shí)該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤）。
以上兩個(gè)超光速的方案目前還只處于理論探討和實(shí)驗(yàn)階段，離實(shí)用還有很遠(yuǎn)的距離，而且這兩個(gè)問題都涉及到物理學(xué)的本質(zhì)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其解釋都在爭論之中。
媒質(zhì)中的光速比真空中的光速小。粒子在媒質(zhì)中的傳播速度可能超過媒質(zhì)中的光速。在這種情況下會(huì)發(fā)生輻射，稱為切侖科夫效應(yīng)。這不是真正意義上的超光速，真正意義上的超光速是指超過真空中的光速。
如果A相對于C以0.6c的速度向東運(yùn)動(dòng)，B相對于C以0.6c的速度向西運(yùn)動(dòng)。對于C來說，A和B之間的距離以1.2c的速度增大。這種“速度”--兩個(gè)運(yùn)動(dòng)物體之間相對于第三觀察者的速度--可以超過光速。但是兩個(gè)物體相對于彼此的運(yùn)動(dòng)速度并沒有超過光速。在這個(gè)例子中，在A的坐標(biāo)系中B的速度是0.88c。在B的坐標(biāo)系中A的速度也是0.88c。
在燈下晃動(dòng)你的手，你會(huì)發(fā)現(xiàn)影子的速度比手的速度要快。影子與手晃動(dòng)的速度之比等于它們到燈的距離之比。如果你朝月球晃動(dòng)手電筒，你很容易就能讓落在月球上的光斑的移動(dòng)速度超過光速。遺憾的是，不能以這種方式超光速地傳遞信息。
影子和與手晃動(dòng)的速度之比確實(shí)等于它們到燈的距離之比，但影子的最快速度不會(huì)超過光速.光斑也是如此.假設(shè)有一個(gè)仰角為60度的斜坡，一個(gè)物體以0.6C的速度水平運(yùn)動(dòng)，那么理論上在斜坡上的投影的速度是1.2C，實(shí)際上影子最大速度為C.現(xiàn)象表現(xiàn)為影子不會(huì)出現(xiàn)在該物體垂直投射的方位，而是會(huì)滯后.
敲一根棍子的一頭，振動(dòng)會(huì)不會(huì)立刻傳到另一頭？這豈不是提供了一種超光速通訊方式？很遺憾，理想的剛體是不存在的，振動(dòng)在棍子中的傳播是以聲速進(jìn)行的，而聲速歸根結(jié)底是電磁作用的結(jié)果，因此不可能超過光速。（一個(gè)有趣的問題是，豎直地拎著一根棍子的上端，突然松手，是棍子的上端先開始下落還是棍子的下端先開始下落？答案是上端。）
光在媒質(zhì)中的相速度在某些頻段可以超過真空中的光速。相速度是指連續(xù)的（假定信號(hào)已傳播了足夠長的時(shí)間，達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)）的正弦波在媒質(zhì)中傳播一段距離后的相位滯后所對應(yīng)的“傳播速度”。很顯然，單純的正弦波是無法傳遞信息的。要傳遞信息，需要把變化較慢的波包調(diào)制在正弦波上，這種波包的傳播速度叫做群速度，群速度是小于光速的。（譯者注：索末菲和布里淵關(guān)于脈沖在媒質(zhì)中的傳播的研究證明了有起始時(shí)間的信號(hào)[在某時(shí)刻之前為零的信號(hào)]在媒質(zhì)中的傳播速度不可能超過光速。）
朝我們運(yùn)動(dòng)的星系的視速度有可能超過光速。這是一種假象，因?yàn)闆]有修正從星系到我們的時(shí)間的減少。
舉一個(gè)例子：假如我們測量一個(gè)目前離我們10光年的星系，它的運(yùn)動(dòng)速度為2/3 c。
現(xiàn)在測量，測出的距離卻是30光年，因?yàn)樗?dāng)時(shí)發(fā)出的光到時(shí)，星系恰到達(dá)10光年處
3年后，星系到了8光年處，那末視距離為8光年的3倍，即24光年。
結(jié)果，3年中，視距離減小了6光年……
地球上的人看到火箭以0.8c的速度遠(yuǎn)離，火箭上的時(shí)鐘相對于地球上的人變慢，是地球時(shí)鐘的0.6倍。如果用火箭移動(dòng)的距離除以火箭上的時(shí)間，將得到一個(gè)“速度”是4/3 c。（這里有問題，首先，以火箭做為參考系，火箭的速度是0，這時(shí)候只能計(jì)算地球遠(yuǎn)離火箭的速度，火箭參考系的時(shí)間是地球的0.6倍，距離也是地球的0.6倍，地球遠(yuǎn)離火箭的速度=0.6*0.8c/0.6=0.8c）因此，火箭上的人是以“相當(dāng)于”超光速的速度運(yùn)動(dòng)。對于火箭上的人來說，時(shí)間沒有變慢，但是星系之間的距離縮小到原來的0.6倍，因此他們也感到是以相當(dāng)于4/3 c的速度運(yùn)動(dòng)。這里問題在于這種用一個(gè)坐標(biāo)系的距離除以另一個(gè)坐標(biāo)系中的時(shí)間所得到的數(shù)不是真正的速度。
有人認(rèn)為萬有引力的傳播速度超過光速。實(shí)際上萬有引力以光速傳播。
1935年Einstein，Podolski和Rosen發(fā)表了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)試圖表明量子力學(xué)的不完全性。他們認(rèn)為在測量兩個(gè)分離的處于entangled state的粒子時(shí)有明顯的超距作用。Ebhard證明了不可能利用這種效應(yīng)傳遞任何信息，因此超光速通信不存在。但是關(guān)于EPR悖論仍有爭議。
10．虛粒子
在量子場論中力是通過虛粒子來傳遞的。由于海森堡不確定性這些虛粒子可以以超光速傳播，但是虛粒子只是數(shù)學(xué)符號(hào)，超光速旅行或通信仍不存在。
量子隧道是粒子逃出高于其自身能量的勢壘的效應(yīng)，在經(jīng)典物理中這種情況不可能發(fā)生。計(jì)算一下粒子穿過隧道的時(shí)間，會(huì)發(fā)現(xiàn)粒子的速度超過光速。
Ref: T. E. Hartman,J. Appl. Phys. 33,3427 (1962)
一群物理學(xué)家做了利用量子隧道效應(yīng)進(jìn)行超光速通信的實(shí)驗(yàn)：他們聲稱以4.7c的速度穿過11.4cm寬的勢壘傳輸了莫扎特的第40交響曲。當(dāng)然，這引起了很大的爭議。大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，由于海森堡不確定性，不可能利用這種量子效應(yīng)超光速地傳遞信息。如果這種效應(yīng)是真的，就有可能在一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中利用類似裝置把信息傳遞到過去。
Ref: W. Heitmann and G. Nimtz,Phys Lett A196,154 (1994); A. Enders and G. Nimtz,Phys Rev E48,632 (1993)
Terence Tao認(rèn)為上述實(shí)驗(yàn)不具備說服力。信號(hào)以光速通過11.4cm的距離用不了0.4納秒，但是通過簡單的外插就可以預(yù)測長達(dá)1000納秒的聲信號(hào)。因此需要在更遠(yuǎn)距離上或者對高頻隨機(jī)信號(hào)作超光速通信的實(shí)驗(yàn)。
當(dāng)兩塊不帶電荷的導(dǎo)體板距離非常接近時(shí)，它們之間會(huì)有非常微弱但仍可測量的力，這就是卡西米效應(yīng)?？ㄎ髅仔?yīng)是由真空能（vacuum energy）引起的。Scharnhorst的計(jì)算表明，在兩塊金屬板之間橫向運(yùn)動(dòng)的光子的速度必須略大于光速（對于一納米的間隙，這個(gè)速度比光速大10-24）。在特定的宇宙學(xué)條件下（比如在宇宙弦（cosmicstring）的附近[假如它們存在的話]），這種效應(yīng)會(huì)顯著得多。但進(jìn)一步的理論研究表明不可能利用這種效應(yīng)進(jìn)行超光速通信。
Ref: K. Scharnhorst,Physics Letters B236,354 (1990) S. Ben-Menahem,Physics Letters B250,133 (1990) Andrew Gould (Princeton,Inst. Advanced Study). IASSNS-AST-90-25Barton & Scharnhorst,J Phys A26,2037 (1993)
哈勃定理說：距離為D的星系以HD的速度分離。H是與星系無關(guān)的常數(shù)，稱為哈勃常數(shù)。距離足夠遠(yuǎn)的星系可能以超過光速的速度彼此分離，但這是相對于第三觀察者的分離速度。
當(dāng)月亮在地平線上的時(shí)候，假定我們以每秒半周的速度轉(zhuǎn)圈兒，因?yàn)樵铝岭x我們385,000公里，月亮相對于我們的旋轉(zhuǎn)速度是每秒121萬公里，大約是光速的四倍多！這聽起來相當(dāng)荒謬，因?yàn)閷?shí)際上是我們自己在旋轉(zhuǎn)，卻說是月亮繞這我們轉(zhuǎn)。但是根據(jù)廣義相對論，包括旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系在內(nèi)的任何坐標(biāo)系都是可用的，這難道不是月亮以超光速在運(yùn)動(dòng)嗎？
問題在于，在廣義相對論中，不同地點(diǎn)的速度是不可以直接比較的。月亮的速度只能與其局部慣性系中的其他物體相比較。實(shí)際上，速度的概念在廣義相對論中沒多大用處，定義什么是“超光速”在廣義相對論中很困難。在廣義相對論中，甚至“光速不變”都需要解釋。愛因斯坦自己在《相對論：狹義與廣義理論》第76頁說“光速不變”并不是始終正確的。當(dāng)時(shí)間和距離沒有絕對的定義的時(shí)候，如何確定速度并不是那么清楚的。
盡管如此，現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為廣義相對論中光速仍然是不變的。當(dāng)距離和時(shí)間單位通過光速聯(lián)系起來的時(shí)候，光速不變作為一條不言自明的公理而得到定義。在前面所說的例子中，月亮的速度仍然小于光速，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)刻，它都位于從它當(dāng)前位置發(fā)出的未來光錐之內(nèi)。
第一部份列舉的各種似是而非的“超光速”例子表明了定義“超光速”的困難。象影子和光斑的“超光速”不是真正意義的超光速，那么，什么是真正意義上的超光速呢？
在相對論中“世界線”是一個(gè)重要概念，我們可以借助“世界線”來給“超光速”下一個(gè)明確定義。
什么是“世界線”？我們知道，一切物體都是由粒子構(gòu)成的，如果我們能夠描述粒子在任何時(shí)刻的位置，我們就描述了物體的全部“歷史”。想象一個(gè)由空間的三維加上時(shí)間的一維共同構(gòu)成的四維空間。由于一個(gè)粒子在任何時(shí)刻只能處于一個(gè)特定的位置，它的全部“歷史”在這個(gè)四維空間中是一條連續(xù)的曲線，這就是“世界線”。一個(gè)物體的世界線是構(gòu)成它的所有粒子的世界線的集合。
不光粒子的歷史可以構(gòu)成世界線，一些人為定義的“東西”的歷史也可以構(gòu)成世界線，比如說影子和光斑。影子可以用其邊界上的點(diǎn)來定義。這些點(diǎn)并不是真正的粒子，但它們的位置可以移動(dòng)，因此它們的“歷史”也構(gòu)成世界線。
四維時(shí)空中的一個(gè)點(diǎn)表示的是一個(gè)“事件”，即三個(gè)空間坐標(biāo)加上一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)。任何兩個(gè)“事件”之間可以定義時(shí)空距離，它是兩個(gè)事件之間的空間距離的平方減去其時(shí)間間隔與光速的乘積的平方再開根號(hào)。狹義相對論證明了這種時(shí)空距離與坐標(biāo)系無關(guān)，因此是有物理意義的。
時(shí)空距離可分三類：類時(shí)距離：空間間隔小于時(shí)間間隔與光速的乘積類光距離；類光距離：空間間隔等于時(shí)間間隔與光速的乘積；類空距離：空間間隔大于時(shí)間間隔與光速的乘積
下面我們需要引入“局部”的概念。一條光滑曲線，“局部”地看，非常類似一條直線。類似的，四維時(shí)空在局部是平直的，世界線在局部是類似直線的，也就是說，可以用勻速運(yùn)動(dòng)來描述，這個(gè)速度就是粒子的瞬時(shí)速度。
光子的世界線上，局部地看，相鄰事件之間的距離都是類光的。在這個(gè)意義上，我們可以把光子的世界線說成是類光的。
任何以低于光速的速度運(yùn)動(dòng)的粒子的世界線，局部的看，相鄰事件之間的距離都是類時(shí)的。在這個(gè)意義上，我們可以把這種世界線說成是類時(shí)的。
而以超光速運(yùn)動(dòng)的粒子或人為定義的“點(diǎn)”，它的世界線是類空的。這里說世界線是類空的，是指局部地看，相鄰事件的時(shí)空距離是類空的。
因?yàn)橛锌赡艽嬖趶澢臅r(shí)空，有可能存在這樣的世界線：局部地看，相鄰事件的距離都是類時(shí)的，粒子并沒有超光速運(yùn)動(dòng)；但是存在相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)事件，其時(shí)空距離是類空的。這種情況算不算超光速呢？
這個(gè)問題的意義在于說明既可以定義局部的“超光速”，也可以定義全局的“超光速”。即使局部的超光速不可能，也不排除全局超光速的可能性。全局超光速也是值得討論的。
總而言之，“超光速”可以通過類空的世界線來定義，這種定義的好處是排除了兩個(gè)物體之間相對于第三觀察者以“超光速”運(yùn)動(dòng)的情況。
下面來考慮一下什么是我們想超光速傳送的“東西”，主要目的是排除“影子”和“光斑”之類沒用的東西。粒子、能量、電荷、自旋、信息是我們想傳送的。有一個(gè)問題是：我們怎么知道傳送的東西還是原來的東西？這個(gè)問題比較好辦，對于一個(gè)粒子，我們觀察它的世界線，如果世界線是連續(xù)的，而且沒有其他粒子從這個(gè)粒子分離出來，我們就大體可以認(rèn)為這個(gè)粒子還是原來那個(gè)粒子。
顯然，傳送整個(gè)物體從技術(shù)上來講要比傳送信息困難得多?，F(xiàn)在我們已經(jīng)可以毫無困難地以光速傳遞信息。從本質(zhì)上講，我們只是做到了把信息放到光子的時(shí)間序列上去和從光子的時(shí)間序列中重新得到人可讀的信息，而光子的速度自然就是光速。
類似地，假如快子（tachyons，理論上預(yù)言的超光速粒子）真的存在的話，我們只需要發(fā)現(xiàn)一種能夠控制其產(chǎn)生和發(fā)射方向的技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)超光速通信。
極其可能的是，傳送不同的粒子所需要的代價(jià)是極其不同的，更經(jīng)濟(jì)的辦法是采用復(fù)制技術(shù)。假如我們能夠得到關(guān)于一個(gè)物體的全部信息，并且我們掌握了從這些信息復(fù)制原物體的技術(shù)，那么超光速通信與超光速旅行是等價(jià)的。
科幻小說早就有這個(gè)想法了，稱之為遠(yuǎn)距離傳真(teleport）。簡單的說，就是象傳真一樣把人在那邊復(fù)制一份，然后把這邊的原件銷毀，就相當(dāng)于把人傳過去了。當(dāng)然問題是象人這種有意識(shí)的復(fù)雜物體能否復(fù)制。
E = mc^2/sqrt(1 - v^2/c^2)
上述公式是靜止質(zhì)量為m的粒子以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的能量。
很顯然，速度越高能量越大。因此要使粒子加速必須要對它做功，做的功等于粒子能量的增加。
注意當(dāng)v趨近于c時(shí)，能量趨于無窮大，因此以通常加速的方式使粒子達(dá)到光速是不可能的，更不用說超光速了。
但是這并沒有排除以其他方式使粒子超光速的可能性。
粒子可以衰變成其他粒子，包括以光速運(yùn)動(dòng)的光子（光子的靜止質(zhì)量為零，因此雖以光速運(yùn)動(dòng)，其能量也可以是有限值，上述公式對光子無效）。衰變過程的細(xì)節(jié)無法用經(jīng)典物理學(xué)來描述，因此我們無法否定通過衰變產(chǎn)生超光速粒子的可能性（?）。
另一種可能性是速度始終高于光速的粒子。既然有始終以光速運(yùn)動(dòng)的光子，有始終以低于光速的速度運(yùn)動(dòng)的粒子，為什么不會(huì)有始終以高于光速的速度運(yùn)動(dòng)的粒子呢？
問題是，如果在上述公式中v>c，要么能量是虛數(shù)，要么質(zhì)量是虛數(shù)。假如存在這樣的粒子，虛數(shù)的能量與質(zhì)量有沒有物理意義呢？應(yīng)該如何解釋它們的意義？能否推出可觀測的預(yù)言？
只要找到這種粒子存在的證據(jù)，找到檢測這種粒子的方法，找到使這種粒子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的方法，就能實(shí)現(xiàn)超光速通信。
到目前為止，除引力外的所有物理現(xiàn)象都符合粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)相對論量子場論，它可以描述包括電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用在內(nèi)的三種基本相互作用以及所有已觀測到的粒子。根據(jù)這個(gè)理論，任何對應(yīng)于兩個(gè)在有類空距離的事件處所作物理觀測的算子是對易的（any pair of operators corresponding to physical observables at space-time events which are separated by a space like interval commute）。原則上講，這意味著任何作用不可能以超過光速的速度傳播。
但是，沒有人能證明標(biāo)準(zhǔn)模型是自洽的（self-consistent）。很有可能它實(shí)際上確實(shí)不是自洽的。無論如何，它不能保證將來不會(huì)發(fā)現(xiàn)它無法描述的粒子或相互作用。也沒有人把它推廣到包括廣義相對論和引力。很多研究量子引力的人懷疑關(guān)于因果性和局域性的如此簡單的表述能否作這樣的推廣?？偠灾?，在將來更完善的理論中，無法保證光速仍然是速度的上限。
反對超光速的最好證據(jù)恐怕莫過于祖父悖論了。根據(jù)狹義相對論，在一個(gè)參考系中超光速運(yùn)動(dòng)的粒子在另一坐標(biāo)系中有可能回到過去。因此超光速旅行和超光速通信也意味著回到過去或者向過去傳送信息。如果時(shí)間旅行是可能的，你就可以回到過去殺死你自己的祖父。這是對超光速強(qiáng)有力的反駁。但是它不能排除這種可能性，即我們可能作有限的超光速旅行但不能回到過去。另一種可能是當(dāng)我們作超光速旅行時(shí)，因果性以某種一致的方式遭到破壞。
總而言之，時(shí)間旅行和超光速旅行不完全相同但有聯(lián)系。如果我們能回到過去，我們大體上也能實(shí)現(xiàn)超光速旅行。
快子是理論上預(yù)言的粒子。它具有超過光速的局部速度（瞬時(shí)速度）。它的質(zhì)量是虛數(shù)，但能量和動(dòng)量是實(shí)數(shù)?！∮腥苏J(rèn)為這種粒子無法檢測（譯注：那這種預(yù)言有什么意義：-）），但實(shí)際未必如此。影子和光斑的例子就說明超過光速的東西也是可以觀測到的。
目前尚無快子存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，絕大多數(shù)人懷疑它們的存在。有人聲稱在測Tritium貝塔衰變放出的中微子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)中有證據(jù)表明這些中微子是快子。這很讓人懷疑，但不能完全排除這種可能。
快子理論的問題，一是違反因果性，二是快子的存在使真空不穩(wěn)定。后者可以在理論上避免，但那樣就無法實(shí)現(xiàn)我們想要得超光速通信了。
實(shí)際上，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為快子是場論的病態(tài)行為的表現(xiàn)，而公眾對于快子的興趣多是因?yàn)樗鼈冊诳苹米髌分谐霈F(xiàn)得次數(shù)很多。
關(guān)于全局超光速旅行的一個(gè)著名建議是利用蟲洞。蟲洞是彎曲時(shí)空中連接兩個(gè)地點(diǎn)的捷徑，從A地穿過蟲洞到達(dá)B地所需要的時(shí)間比光線從A地沿正常路徑傳播到B地所需要的時(shí)間還要短。蟲洞是經(jīng)典廣義相對論的推論，但創(chuàng)造一個(gè)蟲洞需要改變時(shí)空的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這在量子引力論中是可能的。
開一個(gè)蟲洞需要負(fù)能量區(qū)域，Misner和Thorn建議在大尺度上利用Casimir效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)能量區(qū)域。Visser建議使用宇宙弦。這些建議都近乎不切實(shí)際的瞎想。具有負(fù)能量的怪異物質(zhì)可能根本就無法以他們所要求的形式存在。
Thorn發(fā)現(xiàn)如果能創(chuàng)造出蟲洞，就能利用它在時(shí)空中構(gòu)造閉合的類時(shí)世界線，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行。有人認(rèn)為對量子力學(xué)的多重性（multiverse）解釋可以用來消除因果性悖論，即，如果你回到過去，歷史就會(huì)以與原來不同的方式發(fā)生。
Hawking認(rèn)為蟲洞是不穩(wěn)定的，因而是無用的。但蟲洞對于思想實(shí)驗(yàn)仍是一個(gè)富有成果的區(qū)域，可以用來澄清在已知的和建議的物理定律之下，什么是可能的，什么是不可能的。
Refs: W. G. Morris and K. S. Thorne,American Journal of Physics 56,395-412 (1988) W. G. Morris,K. S. Thorne,and U. Yurtsever,Phys. Rev. Letters 61,1446-9 (1988) Matt Visser,Physical Review D39,3182-4 (1989) see also "Black Holes and Time Warps" Kip Thorn,Norton & co. (1994) For an explanation of the multiverse see,"The Fabric of Reality" David Deutsch,Penguin Press.
21．曲相推進(jìn)（warp drive） 曲相推進(jìn)是指以特定的方式讓時(shí)空彎曲，從而使物體超光速運(yùn)動(dòng)。Miguel Alcubierre因?yàn)樘岢隽艘环N能實(shí)現(xiàn)曲相推進(jìn)的時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)而知名。時(shí)空的彎曲使得物體能以超光速旅行而同時(shí)保持在一條類時(shí)世界線上。跟蟲洞一樣，曲相推進(jìn)也需要具有負(fù)能量密度的怪異物質(zhì)。即使這種物質(zhì)存在，也不清楚具體應(yīng)如何布置這些物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)曲相推進(jìn)。
1981年，物理學(xué)家尼克·赫爾伯特（Nick Herbert）利用量子力學(xué)的特殊性質(zhì)設(shè)計(jì)了一個(gè)超光速通訊系統(tǒng)。對它糾錯(cuò)的過程推進(jìn)了我們對量子世界的全新理解。
赫爾伯特的系統(tǒng)叫做FLASH（閃電），是“first laser-amplified superluminal hookup”（第一臺(tái)激光放大超光速傳輸器）的首字母縮寫，它使用了一個(gè)向相反方向成對釋放光子的光子源。這個(gè)計(jì)劃利用了光子的偏振特性，即沿著它們所處的電場方向振動(dòng)。當(dāng)它們所處的電場沿水平方向（H）或是垂直方向（V）振動(dòng)時(shí)，光子可能發(fā)生平面偏振；如果電場沿右螺旋（R）或左螺旋（L）方向振動(dòng)，光子則可能發(fā)生圓偏振。
物理學(xué)家很早就知道，這兩種偏振方式（平面或者圓）之間是密切相關(guān)的。平面偏振光可以用來產(chǎn)生圓偏振光，反之亦然。例如，一束水平偏振光由等量的右旋偏振光和左旋偏振光（L）以特殊的方式組成，同理一束右旋偏振光可以被分解為等量的水平偏振光和垂直偏振光。這對于單個(gè)的光子也成立：例如，一個(gè)右旋偏振的光子的狀態(tài)可以被分解為水平偏振和垂直偏振的特殊復(fù)合。如果對一個(gè)右旋狀態(tài)的光子測量平面偏振而不是圓偏振，則發(fā)現(xiàn)水平偏振狀態(tài)或垂直偏振狀態(tài)的概率是相等的，這就是單粒子版本的薛定諤的貓。
在赫爾伯特的假想實(shí)驗(yàn)中，一名物理學(xué)家愛麗絲（想象出來的“觀測者A”）可以選擇測量在她面前經(jīng)過的光子的平面偏振或圓偏振特性。如果她選擇測量平面偏振，她將有相等的概率觀測到水平或垂直偏振。如果她選擇測量圓偏振，她就有相等的概率得到右旋或左旋偏振。
另外，愛麗絲知道光子源的性質(zhì)決定了對于她測量的每個(gè)光子，有另一個(gè)與之糾纏的光子正奔向她的同伴鮑勃。量子糾纏意味著兩個(gè)光子表現(xiàn)得就像一枚硬幣的兩面：如果一個(gè)被測出處于右旋偏振狀態(tài)，另一個(gè)則必然是左旋偏振；或者如果一個(gè)被測出處于水平偏振狀態(tài)，另一個(gè)一定是垂直偏振。根據(jù)貝爾定理，光子源使得愛麗絲對偏振性質(zhì)（平面或圓）測量的選擇將立即影響到另一顆光子，也就是向鮑勃的方向移動(dòng)的光子。如果她選擇測量平面偏振并碰巧觀測結(jié)果為水平偏振狀態(tài)，那么飛向鮑勃的與之糾纏的光子將立即進(jìn)入垂直偏振狀態(tài)。如果她選擇了測量圓偏振并且結(jié)果為右旋偏振，那么糾纏的光子會(huì)立即進(jìn)入左旋偏振狀態(tài)。
現(xiàn)在是赫爾伯特大顯身手的時(shí)候了。第二顆光子在到達(dá)鮑勃的探測器前，先進(jìn)入一個(gè)激光增益管。那時(shí)激光的使用已經(jīng)有二十年了，激光器產(chǎn)生的激光和輸入信號(hào)具有一致的偏振特性，就像教科書里的老生常談一樣。也就是說，激光器會(huì)產(chǎn)生一束性質(zhì)和愛麗絲發(fā)現(xiàn)的任何狀態(tài)互補(bǔ)的的光子。那么鮑勃就可以分離這束激光，把一半輸往一個(gè)測量平面極化性質(zhì)的探測器，另一半輸往一個(gè)測量圓極化性質(zhì)的探測器。
如果愛麗絲選擇了測量圓偏振并正好發(fā)現(xiàn)了左旋偏振，那么飛向鮑勃的光子將在進(jìn)入激光增益管前立即進(jìn)入右旋偏振狀態(tài)。激光器將向鮑勃發(fā)射一束右旋偏振光子，他接下來要把一半發(fā)往平面偏振探測器，另一半發(fā)往圓偏振探測器。赫爾伯特推斷，在這種情況下，鮑勃會(huì)發(fā)現(xiàn)一半光子處于右旋偏振狀態(tài)，沒有一個(gè)是左旋的，水平偏振和垂直偏振的各占四分之一。一瞬間，鮑勃就可以知道愛麗絲選擇了測量圓偏振。愛麗絲的選擇——平面或圓偏振——可以起到像莫爾斯電碼的點(diǎn)和劃一樣的作用。只要通過改變對偏振類型測量的選擇，她就能向鮑勃發(fā)送信號(hào)。鮑勃可以用比在他們間傳遞的光更快的速度破解愛麗絲發(fā)送的每一段密碼。
就像GianCarlo Ghiradi，Tullio Weber，WojciechZurek，Bill Wootters和Dennis Dieks分別指出的那樣，赫爾伯特的裝置實(shí)際上并不能實(shí)現(xiàn)超光速通信。例如，一顆右旋偏振的光子是以等量的水平偏振和垂直偏振狀態(tài)復(fù)合存在的。每一種隱藏的狀態(tài)都會(huì)被激光器放大，因此輸出信號(hào)將是兩個(gè)狀態(tài)的疊加：一半里所有的光子都是水平偏振，另一半中所有的光子都是垂直偏振，每種狀態(tài)出現(xiàn)的概率都是50%。鮑勃永遠(yuǎn)不可能同時(shí)發(fā)現(xiàn)半是水平偏振半是垂直偏振的狀態(tài)，就像物理學(xué)家永遠(yuǎn)不可能在打開盒子的時(shí)候發(fā)現(xiàn)薛定諤的貓半死半活。因此，鮑勃只會(huì)收到一個(gè)噪音信號(hào)，不管愛麗絲那邊做出什么選擇。在每一個(gè)時(shí)刻，鮑勃的探測器會(huì)顯示水平和右旋，垂直和左旋或者水平和右旋，等等，都是隨機(jī)的組合。他永遠(yuǎn)不會(huì)得到水平、垂直和右旋的組合，因此他無法得知愛麗絲想給他傳遞什么信息。畢竟量子糾纏和相關(guān)性是可以同時(shí)存在的。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)隨即被稱為“量子不可克隆定理”：一個(gè)隨機(jī)或者未知的量子狀態(tài)不可能在初始狀態(tài)不受干擾的情況下被復(fù)制。這是作為量子理論基石的一個(gè)強(qiáng)有力的命題，在尼克·赫爾伯特和他的天才反對者開始貓捉老鼠的游戲前，沒有人意識(shí)到這個(gè)量子理論的基本特性。量子力學(xué)給所有人的能力設(shè)置了界限，包括可能的竊聽者，使他們無法捕捉并復(fù)制單獨(dú)的量子粒子，這個(gè)事實(shí)立即成為了量子加密術(shù)的理論基礎(chǔ)，在今天它已成為欣欣向榮的量子信息科學(xué)領(lǐng)域的核心。
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