圖/盧卡斯影業(yè)、20世紀(jì)福克斯
光速 c 是一個絕對物理常量。無論你在宇宙中的何方，無論你相對于某一件東西的運(yùn)動速度有多快，真空中的光速永遠(yuǎn)是一樣的。人們經(jīng)常從中得到這樣一種暗示，即沒有物體的運(yùn)動速度可以超過光速。但事情并沒有那么簡單。事實(shí)證明通過多種方式，取決于我們對“物體”、“超光速”和“運(yùn)動”的不同定義，物體的運(yùn)動速度可以超過光速。
“切倫科夫輻射”產(chǎn)生的藍(lán)光。圖/Matt Howard
首先，不可改變的光速是指光在真空中的速度。當(dāng)光線穿越某種物質(zhì)，它前進(jìn)的速度就會降低。根據(jù)不同的折射指數(shù) n，實(shí)際光速就是 c/n。（在大多數(shù)情況下，n 的值都大于 1。）舉例來說，當(dāng)光穿越水的時候，它的速度大約是 0.75c。正因?yàn)槿绱?，在某種物質(zhì)內(nèi)部，當(dāng)光速低于 c 時，運(yùn)動中的粒子“突破光速屏障”是有可能的。
例如，核反應(yīng)堆內(nèi)的電子會釋放出巨大的能量，它們的運(yùn)動速度接近光速 c。當(dāng)這些電子穿越包圍著反應(yīng)堆的冷卻液（水）時，它們的運(yùn)動速度就要高于水中的光速，從而突破光速屏障。我們可能對飛機(jī)突破音障時產(chǎn)生的爆裂聲比較熟悉，這種聲音是因空氣的震蕩產(chǎn)生的。而當(dāng)電子的速度突破光速屏障時，也會產(chǎn)生一種相似的效應(yīng)。突破光速的電子會產(chǎn)生一種光學(xué)“震蕩波”，名為“切倫科夫輻射”，它會使核反應(yīng)堆發(fā)出藍(lán)光。
太陽的結(jié)構(gòu)：核、輻射層、對流層及其表面。圖/NASA、Jenny Mottar
另一種介質(zhì)超光速現(xiàn)象是恒星內(nèi)的聲波。在太陽（或任何其他恒星）內(nèi)部，光是從其內(nèi)核的核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生出來的。如果以光速運(yùn)動，它只需兩至三秒鐘就能到達(dá)太陽表面。但是太陽內(nèi)部的密度非常高，充滿了帶電粒子，光在其中無法走出一條直線。光子在太陽的內(nèi)核中運(yùn)動，平均不出一厘米就會與一個離子相撞。因此它的運(yùn)動方向幾乎會被散射成無序的。想像一個光子想要離開太陽，但是每行進(jìn)一厘米，它前進(jìn)的方向都會被無序地反彈。光子在太陽內(nèi)部的這種無序前進(jìn)方式，意味著它從太陽的內(nèi)核到達(dá)表面實(shí)際所需的時間大約是 2 萬至 15 萬年。
但是聲波的擴(kuò)散方式不同。它們是在某種物質(zhì)內(nèi)進(jìn)行能量傳遞的壓縮波，而不是傳送這種物質(zhì)本身。所以它們不受太陽內(nèi)核離子的影響。太陽內(nèi)部聲波傳遞的速度大約是每秒數(shù)千米，它們會導(dǎo)致太陽整體的震顫。對這種聲波震顫進(jìn)行研究的學(xué)科名為“日震學(xué)”，如果研究的對象是其他恒星，則名為“星震學(xué)”。通過對這些聲波的分析，我們可以測定太陽內(nèi)部多方面的特性，比如密度和壓力。
雖然以上這些都說得沒錯，但是你肯定會有疑問，這些現(xiàn)象都不是事實(shí)上的超光速旅行。在真空中是否可以超越光速呢？感謝廣義相對論，這在某種方式上是有可能的。
圖/NASA、ESA、G. Illingworth、D. Magee 和 P. Oesch（圣克魯茲加州大學(xué)）、R. Bouwens（萊頓大學(xué)）和HUDF09小組
1920 年代后，我們發(fā)現(xiàn)星系越是遙遠(yuǎn)，它們的紅移就越大，因此它們遠(yuǎn)離我們而去的速度就好象越快。這種紅移和距離間的關(guān)系被稱為“哈勃定律”。慢慢的我們開始懂得，這種關(guān)系不是因?yàn)樾窍灯鹪从谕粋€點(diǎn)隨后加速跑開，而是因?yàn)榭臻g本身在膨脹。
宇宙膨脹的速率已被測定，名為“哈勃常量”。依照我們當(dāng)前精度最高的測量結(jié)果，哈勃常量大約是（20公里/秒）/百萬光年。它的含義是相隔一百萬光年的兩點(diǎn)間互相遠(yuǎn)離的速度是每秒20公里。因?yàn)樗锌臻g都在膨脹，因此太空中兩點(diǎn)間的距離越長，它們遠(yuǎn)離的速度就越快。正因?yàn)槿绱?，我們可以想像一下，假如兩點(diǎn)間的距離足夠長，那它們相互遠(yuǎn)離的速度就會高于光速。光速大約是 30 萬公里/秒，根據(jù)哈勃常量，這個臨界距離大約是 150 億光年。
與我們相距 160 億光年的星系正以超光速遠(yuǎn)離我們而去，而這個遙遠(yuǎn)的星系卻沒有違反相對論。以那個星系的視角來看，我們也是以超光速遠(yuǎn)離而去的，因?yàn)樗俣仁窍鄬Φ摹＠斫膺@一點(diǎn)的關(guān)鍵是，這種相對的運(yùn)動是由宇宙的膨脹造成的，而不是星系的運(yùn)動。相對論要求一切運(yùn)動速度都不能超過光速，但空間本身的膨脹并不受此約束。
量子糾纏
最離奇的超光速互動也許就是量子糾纏了。假定我們有一個共同的頑皮朋友。她打算搞一個惡作劇，給我們分別寄了一對手套中的一只。這些手套被裝進(jìn)一個盒子，并分別郵寄給我們兩人。我們已經(jīng)知道這是個惡作劇，所以我們都知道將收到這對手套中的一只。但是在我們打開盒子前，都不知道會收到這對手套中的哪一只。盒子一旦到達(dá)，打開后你發(fā)現(xiàn)收到的是一只左手手套。而與此同時，你立刻就能知道我收到的肯定是一只右手手套。
這是“愛因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）”實(shí)驗(yàn)的基本觀點(diǎn)。用手套打比方嚴(yán)格地說并不確切，因?yàn)樗⒉皇橇孔游矬w。在量子理論中，事物在你觀察到之前都是不確定的。這就好像你的盒子中可能會有一對什么（手套或鞋子，等等），但在進(jìn)行測量前，不可能知道它的特點(diǎn)（左或右，上旋或下旋，等等）。
依照量子理論，我們能夠指出的是盒子中有一種可能性的疊合產(chǎn)物，而結(jié)果是什么，只在我們進(jìn)行觀察后才會明確。換言之，打開盒子的結(jié)果處于糾纏態(tài)中。知道這個盒子里有什么，就能夠告訴我們另一個盒子里有什么。事實(shí)上我們可以通過光子、原子這樣的粒子來做這個實(shí)驗(yàn)，而結(jié)果確實(shí)如此。
在這個實(shí)驗(yàn)中，我們消除了許多可能性，如隱含的變量或預(yù)設(shè)的結(jié)果。通常來說這些在“盒子”寄出前就已經(jīng)完成，隨后用一個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來決定你打開的是“手套”、“鞋子”還是其他。既然選擇都是隨機(jī)的，而且選擇是在實(shí)驗(yàn)開始后才作出的，那么在這個體系內(nèi)，就不會有針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的更多了解。理論上，我們可以在跨越數(shù)十億光年的距離上做這個EPR實(shí)驗(yàn)。一種方案是把類星體當(dāng)作觸發(fā)器，用以取代隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，來決定每個人的觀察結(jié)果是什么。
假如我們運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的“哥本哈根詮釋”對糾纏體系中名為“坍縮波函數(shù)”的階段進(jìn)行解釋，那波函數(shù)的這種坍縮是在瞬間發(fā)生的，因此明顯要比光速還要快。但是這同樣也不違反相對論，因?yàn)轶w系內(nèi)的信息傳遞并沒有超越光速。換句話說，你關(guān)于測量的知識，別的觀察者是不會通過超越光速的方式獲得的；他們的觀測結(jié)果將一直是不明確的，直至收到你關(guān)于他們糾纏體系的信息。
要對糾纏態(tài)光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個觀察者都要決定測量什么（通常是它的極化狀態(tài)）。假如我決定測量它的垂直極化狀態(tài)，而得到的結(jié)果是向上，那我知道的唯一一件事是，假如你測量另一個垂直極化狀態(tài)，得到的結(jié)果肯定是向下。假如你測量了它不同的方向，比方說水平方向，那我就無法獲知你得到的結(jié)果會是什么。但即使我們事先同意都在垂直方向上進(jìn)行測量，知道別人的結(jié)果也沒什么意義，因?yàn)榻Y(jié)果都是隨機(jī)的。這就是說，很不幸，用這種方式來進(jìn)行超光速信息傳遞是行不通的。
圖/星際穿越中的科學(xué)
有許多東西的速度能夠超越光速，我們可以直接造出某種設(shè)備來達(dá)到那樣的目的，因?yàn)橄鄬φ摬]有禁止超越光速。它真正禁止的是在真空中以超光速傳遞信息或物體。因此——除非我們對彎曲時空和穿越蟲洞這樣的方式十分在行——否則前往其他恒星仍然需要花上幾年、幾個世紀(jì)，甚至幾千年。
作者是一位天體物理學(xué)家。
文/Brian Koberlein
譯/老孫
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