聊起超光速的話題很多人都會(huì)有各種的迷惑，在物理學(xué)里光速到底憑什么成為了一道鴻溝，成為了一道界限，這個(gè)界限所限制的到底是什么？

狹義相對(duì)論如何限制超光速

在19世紀(jì)末，知道了光是電磁波并且測(cè)量出了光速，之后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，那就是根據(jù)麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)出光在真空中的傳播速度是一個(gè)定值，但是這條公式里邊沒有關(guān)于參照系的參數(shù)，于是大家就琢磨，這個(gè)應(yīng)該是絕對(duì)參照系里邊光的速度，光有一個(gè)傳播介質(zhì)，這個(gè)介質(zhì)被稱之為——以太。

以太，相對(duì)于絕對(duì)參照系是靜止的，那么如果相對(duì)于這個(gè)絕對(duì)參照系有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的話，光速應(yīng)該是隨著不同的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有著不同的數(shù)值，但是這個(gè)想法很快就被打臉了。

1887年的邁克爾遜·莫雷實(shí)驗(yàn)就證明了，光在任何方向上都是不變的，之后洛倫茲、愛因斯坦等人對(duì)這個(gè)現(xiàn)象給出了解釋，特別是愛因斯坦的解釋比較有革命性的，一篇論文《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》開創(chuàng)了狹義相對(duì)論，狹義相對(duì)論有兩個(gè)基本原理：

• 第一個(gè)基本原理：光速不變?cè)怼谌魏螒T性參照系中，真空中的光速是一個(gè)恒定值。

• 第二個(gè)基本原理：狹義相對(duì)性原理——在任何的慣性參照系中所有的物理定律有相同的表達(dá)式，所有的慣性參照系權(quán)利都是相等的，人們無法在一個(gè)慣性參照系中經(jīng)過物理測(cè)量來分辨自己是靜止的還是運(yùn)動(dòng)的。

狹義相對(duì)論這兩條基本原理并沒有提及超光速的事，限制超光速的事是在愛因斯坦的推論之中，狹義相對(duì)論有以下的推論：

①時(shí)間延緩（時(shí)間膨脹）

在一個(gè)相對(duì)于你運(yùn)動(dòng)的參照系里，以你的視角來看，這個(gè)參照系里的時(shí)間會(huì)變慢，這個(gè)參照系的運(yùn)動(dòng)速度越快時(shí)間越慢，當(dāng)這個(gè)參照系的運(yùn)動(dòng)速度等于光速的時(shí)候，在你看來這個(gè)參照系里的時(shí)間它是靜止的。

②長(zhǎng)度收縮

在一個(gè)相對(duì)于你運(yùn)動(dòng)的參照系里，以你的視角來看，這個(gè)參照系里的空間長(zhǎng)度，會(huì)在這個(gè)參照系運(yùn)動(dòng)的方向上發(fā)生收縮效應(yīng)，這個(gè)參照系如果相對(duì)于你是水平運(yùn)動(dòng)的，那就是在這個(gè)水平方向上的長(zhǎng)度會(huì)收縮，如果這個(gè)參照系相對(duì)于你是豎直運(yùn)動(dòng)的，那這個(gè)參照系里豎直方向上的長(zhǎng)度就會(huì)收縮，而且這個(gè)參照系的運(yùn)動(dòng)速度越快收縮效果越明顯，當(dāng)這個(gè)參照系的運(yùn)動(dòng)速度等于光速的時(shí)候，這個(gè)參照系在運(yùn)動(dòng)方向上的空間長(zhǎng)度就會(huì)收縮為0。

③質(zhì)量增加

一個(gè)相對(duì)于你運(yùn)動(dòng)的物體它的質(zhì)量是會(huì)增加的，它運(yùn)動(dòng)的速度越快質(zhì)量越大，當(dāng)速度等于光速的時(shí)候，質(zhì)量無窮大。

狹義相對(duì)論的推論有很多，這3個(gè)最為常見，之所以很常見是因?yàn)檫@3個(gè)推論比較反直覺，另一個(gè)重要原因就是推論背后所暗示的意思。

時(shí)間延緩，限制了信息傳遞的速度不能超越光速

為什么呢？

因?yàn)樾畔鬟f的速度一旦超光速就會(huì)違反因果律，因果律說的是第1個(gè)事件（因）和第2個(gè)事件（果）之間的關(guān)系，其中在時(shí)間線上，因必須要在果之前。

舉例說明：

你今天買了張彩票，明天一看中獎(jiǎng)了。

• 買彩票就是——因，

• 中獎(jiǎng)了就是——果。

在時(shí)間線上買彩票這件事肯定得在中獎(jiǎng)之前，但是如果信息的傳遞速度超過光速就會(huì)違反因果率，也就是說會(huì)導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生在原因之前，換句話說，就是你可以接收到來自未來的信息，這個(gè)在狹義相對(duì)論的數(shù)學(xué)表達(dá)式中可以推導(dǎo)出來。

思維實(shí)驗(yàn)：

假設(shè)有一艘宇宙飛船，它可以接近光速飛行，根據(jù)時(shí)間延緩效應(yīng)它可以快到地球上的時(shí)間走了一天，宇宙飛船上面的時(shí)間只走了半天，而且瞬間就可以加速到這個(gè)速度，而且宇宙飛船和地球之間有超光速的通信，假設(shè)這個(gè)超光速的通信信號(hào)傳播速度是無窮大的，那么會(huì)發(fā)生什么？

假設(shè)在3000年的1月1號(hào)00：00，你乘坐這艘船出發(fā)去宇宙里兜風(fēng)，你出發(fā)的時(shí)候飛船上的時(shí)間和地球上的時(shí)間都是3000年的1月1號(hào)00：00。

10天之后，也就是3000年的1月10號(hào)我看見了有個(gè)彩票的投注網(wǎng)站發(fā)布了頭獎(jiǎng)號(hào)碼，于是我用地球上的超光速信號(hào)給你發(fā)了一個(gè)信息，告訴你這個(gè)彩票的中獎(jiǎng)號(hào)碼，并且請(qǐng)求你把這串頭獎(jiǎng)號(hào)碼再發(fā)回給我一下。

那么在我這個(gè)地球人事情會(huì)是怎么樣的呢？首先這個(gè)信號(hào)是無窮快的，多遠(yuǎn)的距離都是瞬間抵達(dá)，因?yàn)檫@個(gè)飛船的速度導(dǎo)致的時(shí)間延緩效應(yīng)地球上這是從1月1號(hào)過到了1月10號(hào)，過了大概10天，而飛船上也就是過了5天左右，也就是說飛船上的時(shí)間是在3000年的1月5號(hào)接收到我的信息。

那么再來看看飛船上的你的眼里發(fā)生了什么事？你會(huì)在出發(fā)的5天以后接收到我的信息，在3000年的1月5號(hào)接收到了我的信息，也就是說在飛船里你的眼里出發(fā)5天以后收到并且發(fā)出了一個(gè)信息，這個(gè)信息的內(nèi)容就是彩票中獎(jiǎng)的號(hào)碼，但是運(yùn)動(dòng)是相當(dāng)?shù)?，你在以很高的速度遠(yuǎn)離地球，那么地球也在以很高的速度遠(yuǎn)離你，在你看來地球上的時(shí)間也是變慢的，而且變慢的程度和地球上看也是一樣的，也就是說在你看來地球上的時(shí)間比你也慢了一半，也就是說你在這里過了5天，在你看來地球上只過了兩天半，因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)的傳播速度是無窮快它能瞬間抵達(dá)，也就是說地球上的我會(huì)在你出發(fā)后的兩天半地球時(shí)間的1月3號(hào)收到你發(fā)給我的頭獎(jiǎng)彩票信息，大家是否還記得我是什么時(shí)候發(fā)給你的中獎(jiǎng)彩票號(hào)碼（1月10號(hào)），我在1月10號(hào)給你發(fā)的信息，在1月3號(hào)收到的回信，我1月3號(hào)就知道了7天后的彩票中獎(jiǎng)號(hào)碼，這顯然違反了因果律。

其實(shí)信息傳遞速度不必是無窮大，只要它超過光速就可以產(chǎn)生違反因果率的效應(yīng)，違反因果律會(huì)產(chǎn)生各種悖論，比如說我是提前知道了彩票的中獎(jiǎng)號(hào)碼，如果我選擇在1月10號(hào)不發(fā)給你中獎(jiǎng)號(hào)碼行不行??？我是因?yàn)闆]有中獎(jiǎng)才發(fā)給你吧，我中獎(jiǎng)了還發(fā)給你干嘛！但是呢，我如果不發(fā)給你，那我又怎么提前7天知道中獎(jiǎng)號(hào)碼的呢？各種自相矛盾，所以狹義相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)限制了信息的超光速傳播。

信息傳播速度不僅僅是說它直接的傳播速度也包括間接的傳播速度，例如不僅僅光不會(huì)超過光速，光斑、陰影等等這些的速度也不會(huì)超過光速，目前還沒有發(fā)現(xiàn)任何能以超光速傳播信息的方式。

狹義相對(duì)論限制了有質(zhì)量的物體超光速

當(dāng)有質(zhì)量的物質(zhì)它在移動(dòng)速度接近光速的時(shí)候質(zhì)量會(huì)向著無限大的方向進(jìn)發(fā)并且沒有上限，隨著質(zhì)量越來越大，加速會(huì)越來越難，當(dāng)一個(gè)有質(zhì)量的物體移動(dòng)速度等于光速的時(shí)候，它的質(zhì)量是無窮大的，它蘊(yùn)含的能量也是無窮大，所以狹義相對(duì)論的質(zhì)量增加效應(yīng)限制了有靜止質(zhì)量的物體在空間中移動(dòng)的速度達(dá)到光速。

超光速真的可以嗎？

第1個(gè)超光速的事情，就是那些不能傳播信息的波，某些看起來的波動(dòng)確實(shí)好像是可以超過光速，比如說某些玻璃的像速度，所謂像速度，就是說玻璃的某個(gè)固定相位移動(dòng)的速度。

舉例說明：

地月距離大概是38萬公里，光從地球走到月球也需要1秒鐘多，光速是299792458m/s（約=300000000m/s），現(xiàn)在假設(shè)就找3億個(gè)人，等距離安插在地月之間，給他們每個(gè)人手里配一個(gè)鬧鈴，響鈴時(shí)間的設(shè)置是從地球到月球的方向上相鄰的每一個(gè)鬧鈴相差都是1/300000000秒，而且每個(gè)鬧鈴的響應(yīng)時(shí)間間隔是1秒鐘，也就是說每個(gè)鬧鈴的響鈴時(shí)間都比上一個(gè)人滯后1/300000000秒，每個(gè)鬧鈴響完了之后間隔1秒鐘以后會(huì)再響，這3億個(gè)人一聽到手里的鬧鈴響就起立，然后坐下，一旦這個(gè)實(shí)驗(yàn)開始，我們會(huì)看到人浪，有波峰，有波谷，人站起來就是波峰，人坐下就是坐下就是波谷，而且這個(gè)波的行進(jìn)速度非常的快，1秒鐘就能從地球傳到月球（比光速還快），那這個(gè)波的波峰或者是波谷的行進(jìn)速度那就是超光速了，再比如說把剛才這3億人均勻安插在整個(gè)930億光年的可觀測(cè)宇宙里，那么這個(gè)涌動(dòng)的人浪，可以1秒鐘從宇宙的東頭傳到宇宙的西頭。

但是呢，這個(gè)速度并沒有傳遞任何的信息，最遠(yuǎn)處的那個(gè)人只是在自己的鬧鈴響了之后起立了一下，他只是重復(fù)自己早就被設(shè)定的任務(wù)而已，他并沒有接收到任何信息，想要在這3億人的長(zhǎng)隊(duì)里傳遞一個(gè)信息，比如說“我是外星人”，一個(gè)人接一個(gè)人的傳下去，那么這個(gè)信息在這個(gè)長(zhǎng)隊(duì)里傳遞的速度就肯定在光速之內(nèi)，所以說超光速的現(xiàn)象只是外在的表現(xiàn)而已，它并沒有違反狹義相對(duì)論中對(duì)于超光速的限制。

第2個(gè)超光速的事情，就是宇宙空間的膨脹速度，這個(gè)是實(shí)實(shí)在在的超光速現(xiàn)象，根據(jù)哈勃定律在大尺度上越是遙遠(yuǎn)的星系越是加速離我們遠(yuǎn)去，而且遠(yuǎn)離的速度和它與我們的距離成正比關(guān)系。

這里要注意的是這個(gè)遠(yuǎn)離速度，并不是說空間沒有變，來自遙遠(yuǎn)天體的電磁波的吸收譜線告訴我們遙遠(yuǎn)的星系并不是在空間上逃離我們，而是整個(gè)宇宙空間本身在膨脹，如果只是星系在空間上遠(yuǎn)離我們，我們看到的紅移現(xiàn)象應(yīng)該是多普勒紅移，而非宇宙學(xué)紅移，多普勒紅移與宇宙學(xué)紅移之間是有著很大的差別的，多普勒紅移中一段電磁波從發(fā)射源出來以后，它的長(zhǎng)度是固定的，而在宇宙學(xué)紅移之中已經(jīng)發(fā)射出來的電磁波因?yàn)樵诳臻g中的傳播空間本身在膨脹，這就會(huì)導(dǎo)致這個(gè)電磁波會(huì)被拉長(zhǎng)。

總之，哈勃定律告訴我們宇宙空間到處都在膨脹，也就是說一旦某些天體距離我們足夠遠(yuǎn)，它和我們之間的空間膨脹速度可以累積到超越光速，那么這些天體的光線、信號(hào)將永遠(yuǎn)無法傳遞到我們這里，只有在這個(gè)距離以內(nèi)的宇宙是可觀測(cè)宇宙，可觀測(cè)宇宙以外的天體，都在以超光速離我們遠(yuǎn)去。

根據(jù)剛才說的有質(zhì)量的物體無法加速到光速，那這個(gè)不是自相矛盾嗎？其實(shí)并沒有，這里要注意的是，狹義相對(duì)論里光速的極限說的是物體在空間中的移動(dòng)速度，而宇宙膨脹并不是物體在空間里的移動(dòng)速度，它是空間本身的膨脹速度，宇宙的膨脹并沒有被狹義相對(duì)論所描述。

打個(gè)比方，狹義相對(duì)論里的光速極限說的是一個(gè)人在傳送帶上的跑步速度無法達(dá)到某個(gè)極限，但是呢，它并沒有限制這個(gè)傳送帶可以有多快，一個(gè)足夠快的傳送帶就算是帶著一個(gè)躺在上面的人，這個(gè)人遠(yuǎn)離我們的速度是可以超過我們的極限跑步速度的，宇宙膨脹的速度超過光速，這個(gè)確實(shí)有但是它并不和狹義相對(duì)論中光速的極限相沖突。

第3個(gè)超光速的事情，就是被稱之為鬼魅般的超距作用的——量子糾纏。

量子的世界充滿玄幻，即使是科學(xué)家之間也會(huì)因?yàn)閷?duì)一個(gè)現(xiàn)象的理解不同而爭(zhēng)得面紅耳赤，在這些爭(zhēng)論之中以尼爾斯·玻爾領(lǐng)導(dǎo)的哥本哈根詮釋，是目前最為主流的量子力學(xué)體系，愛因斯坦等大仙級(jí)別的人物，終生都沒有撼動(dòng)這個(gè)體系，直到目前為止實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是站在哥本哈根詮釋這一邊的，在這個(gè)體系里邊有幾個(gè)非常難以理解的概念，比如——概率解釋、疊加態(tài)的解釋。

這些解釋認(rèn)為，一個(gè)微觀粒子它的許多狀態(tài)在你測(cè)量之前它是疊加在一起的，比如一個(gè)粒子在測(cè)量前你說它是自旋向上還是自旋向下？它是既向上也向下的？或者說它是處于自旋向上和自旋向下的疊加態(tài)中的？但是只要去測(cè)量就會(huì)以概率的形式呈現(xiàn)某一個(gè)確定的狀態(tài)，不測(cè)量的話如何知道粒子是疊態(tài)的呢？即使沒有觀測(cè)也可以說它的某些狀態(tài)是疊加態(tài)的，比如最美物理學(xué)實(shí)驗(yàn)之一的單個(gè)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，你一個(gè)幾乎無窮小的電子是怎么通過這兩條縫的呢？根據(jù)干涉條紋只能說它是同時(shí)通過了這兩條縫，在通過雙縫的時(shí)候它是既通過了這條縫也通過了那條縫，自己和自己發(fā)生了干涉，自己和自己干涉的這個(gè)波它是一種波。

哥本哈根詮釋說這是概率波，是電子出現(xiàn)在某一個(gè)位置的概率的波，愛因斯坦聽了這個(gè)解釋后，認(rèn)為哥本哈根詮釋是不存在的，于是他和 P:波多爾斯基和R:羅森提出了EPR佯謬的論文，論文中闡述了定義論和實(shí)在論：

• 定義論——信息不能超光速傳遞否則違反因果律。

• 實(shí)在論——人們觀測(cè)到某種物理現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象是出自于某種客觀的物理實(shí)在，而這種實(shí)在性的東西與觀測(cè)無關(guān)。

比如說溫度、壓強(qiáng)、位置速度等等，這些東西即使你不看它不去觀測(cè)它，它都是實(shí)實(shí)在在的存在，也就是實(shí)在論說的是無論人們看不看月亮，月亮都會(huì)在那里。

論文中認(rèn)為如果不干擾一個(gè)物理系統(tǒng)而能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出它的某個(gè)物理量的值，那么這個(gè)物理量就是實(shí)實(shí)在在的東西，也就是物理實(shí)在，比如從斜坡上滾向光滑平面的小球，只要知道它的初始速度和高度，它滾下以后即使不再去測(cè)量它，也能知道它在某一時(shí)刻的速度數(shù)值，那么速度這個(gè)物理量就是這個(gè)小球的一個(gè)實(shí)實(shí)在在存在的屬性，而能夠精確描述這個(gè)物理量，是一個(gè)物理理論體系完備的必要條件。

論文的第2部分給出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：兩個(gè)相互作用的粒子a和b分開以后互相遠(yuǎn)離，在距離相當(dāng)遠(yuǎn)的時(shí)候?qū)ζ渲械囊粋€(gè)粒子a進(jìn)行某個(gè)物理量的測(cè)量，比如測(cè)量動(dòng)量，測(cè)得數(shù)值之后因?yàn)閍、b這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，那么另一個(gè)粒子b就能瞬間知道了它的動(dòng)量，值得注意的是這個(gè)時(shí)候另外一個(gè)例子b距離我非常遠(yuǎn)了，遠(yuǎn)道根據(jù)這個(gè)定律論我對(duì)a的測(cè)量完全影響不到b的狀態(tài)，那么如果把b看作一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)來看，也就是說我沒有干擾b運(yùn)行的這個(gè)系統(tǒng)而準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了b的動(dòng)量，也就是說b的動(dòng)量是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的存在。

同樣的道理，位置也是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的，那么對(duì)于動(dòng)量和位置，這是兩個(gè)實(shí)實(shí)在在的存在，但哥本哈根詮釋里的不確定性原理卻說這兩個(gè)量不可以同時(shí)確定，也就是說這套描述是不完備的而且這個(gè)不確定性原理來說，粒子的動(dòng)量和位置都是不確定的，但是當(dāng)我在遙遠(yuǎn)的距離以外測(cè)量a的動(dòng)量的時(shí)候，b的動(dòng)量瞬間就有了確定值。那么這個(gè)b是怎么瞬間知道的呢？這就是鬼魅般的超距作用，后來薛定諤把這種具有量子關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象取了個(gè)名字叫做——量子糾纏。礙于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段人們無法驗(yàn)證這個(gè)EPR論文中說的這個(gè)鬼魅般的超距作用是否是真的，但是在理論上是一個(gè)瞬時(shí)作用而跟距離無關(guān)。

結(jié)語·哥本哈根詮釋

哥本哈根詮釋就是這么詭異而又和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好，對(duì)相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)糾纏態(tài)的粒子的測(cè)量行為確實(shí)會(huì)超光速地改變另一個(gè)粒子的量子狀態(tài)，但是哥本哈根詮釋這個(gè)現(xiàn)象并沒有違反狹義相對(duì)論中的信息傳遞速度不能超光速的設(shè)定。