對(duì)此現(xiàn)象的解釋相當(dāng)簡(jiǎn)單直接，即"光行時(shí)間效應(yīng)"(light travel time effect)。想象一小團(tuán)物質(zhì)從銀河系(星系)中心出發(fā)，并且朝向你極快速地移動(dòng)，幾乎是迎面而來(lái)。超光速運(yùn)動(dòng)
當(dāng)這團(tuán)塊還在銀河中心時(shí)，它發(fā)出一些朝向你的光。在它移向你后(并且一點(diǎn)點(diǎn)偏向側(cè)邊)，并且又再次向你發(fā)光，這次的光會(huì)花上比較短的時(shí)間向你行進(jìn)，以其離你較近。如果你忽略了這項(xiàng)事實(shí)，那么你就會(huì)低估了真正的時(shí)間間隔(就你的慣性參考系而言)，因此你會(huì)高估速率。
換句話說(shuō)，若你要計(jì)算團(tuán)塊移動(dòng)多快，卻假設(shè)它移動(dòng)方向垂直于你與銀河間的連接線，那么你就會(huì)低估時(shí)間間隔，因?yàn)槟愫雎粤耸聦?shí)上它也朝你移動(dòng)，而得到數(shù)倍于光速的速率。
這現(xiàn)象常見(jiàn)于兩個(gè)反向的噴流，一道遠(yuǎn)離我們，一道接近我們。若這兩道輻射源，我們都觀測(cè)多普勒位移，則速度與距離可以被決定，不受其他觀察項(xiàng)目的影響。
在1966年，馬丁·里斯(Martin Rees)預(yù)測(cè)了(《自然》雜志211期，超光速運(yùn)動(dòng)468頁(yè)):一物體以相對(duì)論性速度以及適切方向移動(dòng)時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)方觀察者而言看起來(lái)可能像是有遠(yuǎn)大于光速的橫向速度。
幾年后(于1970年)，這樣的輻射源真的被發(fā)現(xiàn)了，形式為非常遠(yuǎn)處的天文學(xué)射電輻射源，例如射電星系與類星體。它們被稱為「超光速輻射源」。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是一項(xiàng)新技術(shù)的驚人結(jié)果，此技術(shù)稱為特長(zhǎng)基線干涉儀(Very Long Baseline Interferometry)，允許小于毫角秒的位置決定，并可用在天空中位置變化的決定;這種變化稱為自行(又稱本動(dòng)，proper motion)，為期通常是好幾年。外顯速度的得到是透過(guò)將觀察到的自行與距離相乘，可以上達(dá)6倍光速。之后，科學(xué)家們通過(guò)觀察類星體的膨脹，并通過(guò)光譜測(cè)量了它們與地球的距離，計(jì)算出它們的膨脹速度也超過(guò)光速。
在1994年，在取得一項(xiàng)銀河速率紀(jì)錄的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了本銀河系的超光速輻射源--宇宙x射線源GRS1915+105。團(tuán)塊的膨脹時(shí)間相對(duì)短得許多。許多個(gè)別的團(tuán)塊被偵測(cè)到(I.F. Mirabel and L.F. Rodriguez于《自然》雜志371期，48頁(yè)，銀河中的超光速輻射("A superluminal source in the Galaxy"))其成對(duì)膨脹，一周內(nèi)?？蛇_(dá)0.5角秒。因?yàn)榕c類星體相類比，這樣的輻射源被稱為微類星體。
在量子論的世界里，物理量是"成對(duì)"的。也就是說(shuō)，你不能同時(shí)超光速運(yùn)動(dòng)精確地測(cè)量?jī)蓚€(gè)相關(guān)聯(lián)的物理量(稱"測(cè)不準(zhǔn)原理")。速度是和位置成對(duì)的。所以，只要粒子的位置被精確地測(cè)定，它的速度就不會(huì)完全確定，同一個(gè)粒子可能在同一時(shí)間具有多個(gè)位置，具有多重存在性。也可能同一個(gè)事件具有多個(gè)不同的歷史，(比如薛定諤貓)在理論中空間和時(shí)間也不是絕對(duì)的連續(xù)和平滑的，時(shí)間小于在10^-31s時(shí)不在能繼續(xù)分割空間在小于10^-33m時(shí)也不能繼續(xù)分割。不存在絕對(duì)的時(shí)空在量子空間中所以說(shuō)有可能超過(guò)光速?？茖W(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中已經(jīng)觀測(cè)到了這一現(xiàn)象，將超過(guò)光速的粒子命名為"超子"。而在黑洞中，粒子正是借著這個(gè)測(cè)不準(zhǔn)原理"蒸發(fā)"逃出黑洞的。
超光速(faster-than-light， FTL或稱superluminality)會(huì)成為一個(gè)討論題目超光速運(yùn)動(dòng)，源自于相對(duì)論中對(duì)于局域物體不可超過(guò)真空中光速c的推論限制，光速成為許多場(chǎng)合下速率的上限值。在此之前的牛頓力學(xué)并未對(duì)超光速的速度作出限制。而在相對(duì)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(zhǎng)到無(wú)窮大因而需要無(wú)窮大的能量，而且它所感受到的時(shí)間流逝甚至?xí)Ｖ?如果超過(guò)光速則會(huì)出現(xiàn)"時(shí)間倒流")，所以理論上來(lái)說(shuō)達(dá)到或超過(guò)光速是不可能的(至于光子，那是因?yàn)樗鼈冇肋h(yuǎn)處于光速，而不是從低于光速增加到光速)。但也因此使得物理學(xué)家(以及普通大眾)對(duì)于一些"看似"超光速的物理現(xiàn)象特別感興趣。
2000年7月，由于英國(guó)《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(duì)超光速倒底是否存在的討論。其實(shí)對(duì)在介質(zhì)中使光脈沖的群速度超過(guò)真空中光速c， 科學(xué)家們?cè)缬醒芯?，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(duì)論)的超光速，為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)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(duì)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"。
那么這種超光速是不是違背因果率呢?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，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(cè)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)乃俣取．?dāng)然，這一實(shí)驗(yàn)本身就說(shuō)明我們?nèi)祟悓?duì)光的認(rèn)識(shí)又前進(jìn)了一步。對(duì)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(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，揭開(kāi)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(lái)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(wú)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?實(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^(guò)程中，遵循量子不可克隆定律，通過(guò)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(guò)量子測(cè)量來(lái)進(jìn)行，因此當(dāng)甲粒子的量子態(tài)被探測(cè)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(cè)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(duì)它的測(cè)量不能得到完全的信息，我們必須知道對(duì)甲粒子采取了什么測(cè)量，所以不得不通過(guò)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(cè)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(guò)光速!量子超空間傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)已在1997年實(shí)現(xiàn)了。
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(wèn)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(zhēng)論之中。
人們所感興趣的超光速，一般是指超光速傳遞能量或者信息。根據(jù)狹義相對(duì)論，這種意義下的超光速旅行和超光速通訊一般是不可能的。目前關(guān)于超光速的爭(zhēng)論，大多數(shù)情況是某些東西的速度的確可以超過(guò)光速，但是不能用它們傳遞能量或者信息。但現(xiàn)有的理論并未完全排除真正意義上的超光速的可能性。首先討論第一種情況:并非真正意義上的超光速。
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(guò)媒質(zhì)中超光速運(yùn)動(dòng)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(guò)真空中的光速。
如果A相對(duì)于C以0.6c的速度向東運(yùn)動(dòng)，B相對(duì)于C以0.6c的速度向西運(yùn)動(dòng)。對(duì)于C來(lái)說(shuō)，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(duì)于第三觀察者的速度--可以超過(guò)光速。但是兩個(gè)物體相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)速度并沒(méi)有超過(guò)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(guò)光速。遺憾的是，不能以這種方式超光速地傳遞信息。
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(guò)光速。
光在媒質(zhì)中的相速度在某些頻段可以超過(guò)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的"傳播速度"。很顯然，單純的正弦波是無(wú)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。
朝我們運(yùn)動(dòng)的星系的視速度有可能超過(guò)光速。這是一種假象，因?yàn)闆](méi)有修超光速運(yùn)動(dòng)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(cè)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(cè)量，測(cè)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(duì)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。因此，火箭上的人是以"相當(dāng)于"超光速的速度運(yùn)動(dòng)。對(duì)于火箭上的人來(lái)說(shuō)，時(shí)間沒(méi)有變慢，但是星系之間的距離縮小到原來(lái)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(wèn)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(wàn)有引力的傳播速度超過(guò)光速。實(shí)際上萬(wàn)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(cè)量?jī)蓚€(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(zhēng)議。
在量子場(chǎng)論中力是通過(guò)虛粒子來(lái)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(shì)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(guò)隧道的時(shí)間，會(huì)發(fā)現(xiàn)粒子的速度超過(guò)光速。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(guò)11.4cm寬的勢(shì)壘傳輸了莫扎特的第40交響曲。當(dāng)然，這引起了很大的爭(zhēng)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(guò)去。
Terence Tao認(rèn)為上述實(shí)驗(yàn)不具備說(shuō)服力。信號(hào)以光速通過(guò)11.4cm的距離用不了0.4納秒，但是通過(guò)簡(jiǎn)單的外插就可以預(yù)測(cè)長(zhǎng)達(dá)1000納秒的聲信號(hào)。因此需要在更遠(yuǎn)距離上或者對(duì)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(cè)量的力，這就是卡西米效應(yīng)。卡西米效應(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(duì)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。
哈勃定理說(shuō):距離為D的星系以HD的速度分離。H是與星系無(wú)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(guò)光速的速度彼此分離，但這是相對(duì)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)?a data-type="gallery" data-index="6">
問(wèn)題在于，在廣義相對(duì)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(duì)論中沒(méi)多大用處，定義什么是"超光速"在廣義相對(duì)論中很困難。在廣義相對(duì)論中，甚至"光速不變"都需要解釋。愛(ài)因斯坦自己在《相對(duì)論:狹義與廣義理論》第76頁(yè)說(shuō)"光速不變"并不是始終正確的。當(dāng)時(shí)間和距離沒(méi)有絕對(duì)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(duì)論中光速仍然是不變的。當(dāng)距離和時(shí)間單位通過(guò)光速聯(lián)系起來(lái)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(shuō)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(lái)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(duì)論中"世界線"是一個(gè)重要概念，我們可以借助"世界線"來(lái)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(shuō)影子和光斑。影子可以用其邊界上的點(diǎn)來(lái)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(kāi)根號(hào)。狹義相對(duì)論證明了這種時(shí)空距離與坐標(biāo)系無(wú)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: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(shuō)，可以用勻速運(yùn)動(dòng)來(lái)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(méi)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(wèn)題的意義在于說(shuō)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?？偠灾?，"超光速"可以通過(guò)類空的世界線來(lái)定義，這種定義的好處是排除了兩個(gè)物體之間相對(duì)于第三觀察者以"超光速"運(yùn)動(dòng)的情況。
下面來(lái)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(méi)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(wèn)題是:我們?cè)趺粗纻魉偷臇|西還是原來(lái)的東西?這個(gè)問(wèn)題比較好辦，對(duì)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(méi)有其他粒子從這個(gè)粒子分離出來(lái)，我們就大體可以認(rèn)為這個(gè)粒子還是原來(lái)那個(gè)粒子。
顯然，傳送整個(gè)物體從技術(shù)上來(lái)講要比傳送信息困難得多。現(xiàn)在我們已經(jīng)可以毫無(wú)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?？苹眯≌f(shuō)早就有這個(gè)想法了，稱之為遠(yuǎn)距離傳真(teleport)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，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(guò)去了。當(dāng)然問(wèn)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(duì)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(wú)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(shuō)超光速了。
但是這并沒(méi)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(duì)光子無(wú)效)。衰變過(guò)程的細(xì)節(jié)無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)來(lái)描述，因此我們無(wú)法否定通過(guò)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(wèn)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(méi)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(cè)的預(yù)言?只要找到這種粒子存在的證據(jù)，找到檢測(cè)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(duì)論量子場(chǎng)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(cè)到的粒子。根據(jù)這個(gè)理論，任何對(duì)應(yīng)于兩個(gè)在有類空距離的事件處所作物理觀測(cè)的算子是對(duì)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(guò)光速的速度傳播。
但是，沒(méi)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(wú)論如何，它不能保證將來(lái)不會(huì)發(fā)現(xiàn)它無(wú)法描述的粒子或相互作用。也沒(méi)有人把它推廣到包括廣義相對(duì)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(jiǎn)單的表述能否作這樣的推廣?？偠灾趯?lái)更完善的理論中，無(wú)法保證光速仍然是速度的上限。
(因果性):反對(duì)超光速的最好證據(jù)恐怕莫過(guò)于祖父悖論了。根據(jù)狹義相對(duì)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(guò)去。因此超光速旅行和超光速通信也意味著回到過(guò)去或者向過(guò)去傳送信息。如果時(shí)間旅行是可能的，你就可以回到過(guò)去殺死你自己的祖父。這是對(duì)超光速?gòu)?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(guò)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?？偠灾瑫r(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(guò)去，我們大體上也能實(shí)現(xiàn)超光速旅行。
第三部份:未定論的超光速的可能性
快子是理論上預(yù)言的粒子。它具有超過(guò)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)。有人認(rèn)為這種粒子無(wú)法檢測(cè)，但實(shí)際未必如此。影子和光斑的例子就說(shuō)明超過(guò)光速的東西也是可以觀測(cè)到的。目前尚無(wú)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(cè)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(wèn)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(wú)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(chǎng)論的病態(tài)行為的表現(xiàn)，而公眾對(duì)于快子的興趣多是因?yàn)樗鼈冊(cè)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(chóng)洞。蟲(chóng)洞是彎曲時(shí)空中連接兩個(gè)地點(diǎn)的捷徑，從A地穿過(guò)蟲(chóng)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(chóng)洞是經(jīng)典廣義相對(duì)論的推論，但創(chuàng)造一個(gè)蟲(chóng)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(kāi)一個(gè)蟲(chóng)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(wú)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(chóng)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(duì)量子力學(xué)的多重性(multiverse)解釋可以用來(lái)消除因果性悖論，即，如果你回到過(guò)去，歷史就會(huì)以與原來(lái)不同的方式發(fā)生。Hawking認(rèn)為蟲(chóng)洞是不穩(wěn)定的，因而是無(wú)用的。但蟲(chóng)洞對(duì)于思想實(shí)驗(yàn)仍是一個(gè)富有成果的區(qū)域，可以用來(lái)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。
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(chóng)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(lái)實(shí)現(xiàn)曲相推進(jìn)。
通過(guò)建立真空物質(zhì)能量狀態(tài)的二個(gè)假設(shè)，及基于等效Binet方程，給出了與Einstein狹義相對(duì)論有關(guān)結(jié)論相融合的物質(zhì)粒子以光速及超光速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量及能量方程;作為推論，對(duì)這些方程與暗物質(zhì)及暗能量的可能對(duì)應(yīng)關(guān)系予以了初步探討。
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