超光速，宇宙中最塊的速度，並非是不可逾越的無極

超光速即大於光在真空中傳播的速度（299792458m/s）。源自於相對論中於局域物體不可超過真空中光速c的推論限制，除非宇宙中存在自旋超過5的粒子，不然是不可能達到的。

2011年9月22日，義大利物理學家在OPERA實驗中發現了一種超光速的中微子，如果實驗數據確鑿無誤，愛因斯坦在相對論中提出的「超光速會形成黑洞」將會受到挑戰。但是該實驗最終錯誤，於2012年6月8日向世界公布實驗錯誤。

2000年7月，由於英國《自然》雜誌發表了一篇關於「超光速」實驗的論文，引起了人們對超光速到底是否存在的討論。其實對在介質中使光脈衝的群速度超過真空中光速c， 科學家們早有研究，而Nature中報導的這個實驗就是實現了這種想法。

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光脈衝是由不同頻率、振幅、相位的光波組成的波包，光脈衝的每個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，但是在介質中如我們所知道的存在如下的群速度與介質。

折射率的關係：

vg = c / ng ， ng = n + ω（dn/dω）

顯然在一定的情況下（如反常色散很強的介質）可以出現負的群速度，此時，光脈衝在介質中傳播比真空中花的時間短，其差ΔT = (L/v) - (L/c）達到絕對值足夠大時就可以觀察到「超光速」現象，即「光脈衝峰值進入介質以前，在另一邊已經有脈衝峰出射了」。

其實實驗重要意義正在於實現了可觀測的負群速度的這一現象，而不是發現了什麼「超光速」，負的群速度在這裡就不能理解為光的速度，它也不是能量傳輸的速度。當然，這一實驗本身就說明我們人類對光的認識又前進了一步。對這個實驗的解釋只憑摺射率與群速度的關係這個公式是遠遠不夠的，這其中包含了量子幹涉的效應，涉及到對光的本質的認識，揭開蒙在「超光速實驗」頭上的面紗，仍然是科學家們奮鬥的目標。

與超光速實驗具有相同轟動效應的是另一種「超光速」現象，即量子超空間傳輸或量子隱形傳輸，這個奇妙的現象因其與量子信息傳遞及量子計算機的實現有密切聯繫而引起人們的關注。所謂超空間，就是量子態的傳輸不是在我們通常的空間進行，因此就不會受光速極限的制約，瞬時地使量子態從甲地傳輸到乙地，這種量子信息的傳遞是不需要時間的，是真正意義的超光速。在量子超空間傳輸的過程中，遵循量子不可克隆定律，通過量子糾纏態使甲乙粒子發生關聯，量子態的確定通過量子測量來進行，因此當甲粒子的量子態被探測後甲乙兩粒子瞬時塌縮到各自的本徵態，這時乙粒子的態就包含了甲粒子的信息。這種信息的傳遞是「超光速」的。量子超空間傳輸的實驗已在1997年實現了。

以上兩個超光速的方案還只處於理論探討和實驗階段，離實用還有很遠的距離，而且這兩個問題都涉及到物理學的本質，實驗現象及其解釋還在爭論之中。

相對論限定，物體在空間中運行速度不能達到或超越光速，但沒有限定時空本身，所以宇宙暴漲速度能超過光速。

媒質中的光速比真空中的光速小，粒子在媒質中的傳播速度可能超過媒質中的光速，在這種情況下會發生輻射，稱為切侖科夫效應。

媒質中的光速比真空中的光速小，粒子在媒質中的傳播速度可能超過媒質中的光速，在這種情況下會發生輻射，稱為切侖科夫效應。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。

肉眼看不見切倫科夫效應，但是當它的強度很大時，會在屏蔽某些核反應堆的池水中出現微弱的淺藍色的光輝。在這種情況下，看得見的切倫科夫輻射是由於反應堆射來的高能電子的速度比光在水中的速度大而比光在真空中的速度小的原因引起的。也就是說，這時高能電子的速度在2.25×10m/s與3×10m/s之間。

在日常生活中，也可找到切倫科夫效應的例子。例如，當船在水中以大於水波的波速運動時，船前的波就可以看成是切倫科夫效應的例子。又例如，在空氣中，一架噴氣式飛機以大於聲速運動時，飛機前頭的空氣波。也可以作為說明切倫科夫效應的例子。

在燈下晃動你的手，你會發現影子的速度比手的速度要快。影子與手晃動的速度之比等於它們到燈的距離之比。如果你朝月球晃動手電筒，你很容易就能讓落在月球上的光斑的移動速度超過光速。遺憾的是，不能以這種方式超光速地傳遞信息。

影子和與手晃動的速度之比確實等於它們到燈的距離之比，但影子的最快速度不會超過光速.光斑也是如此.假設有一個仰角為60度的斜坡，一個物體以0.6C的速度水平運動，那麼理論上在斜坡上的投影的速度是1.2C，實際上影子最大速度為C.現象表現為影子不會出現於該物體垂直投射的方位，而是會滯後。

敲一根棍子的一頭，振動會不會立刻傳到另一頭？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，振動在棍子中的傳播是以聲速進行的，而聲速歸根結底是電磁作用的結果，因此不可能超過光速。一個有趣的問題是，豎直地拎著一根棍子的上端，突然鬆手，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。相速度是指連續的正弦波在媒質中傳播一段距離後的相位滯後所對應的「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製在正弦波上，這種波包的傳播速度叫做群速度，群速度是小於光速的。

朝我們運動的星系的視速度有可能超過光速。這是一種假象，因為沒有修正從星繫到我們的時間的減少。

舉一個例子：假如我們測量一個離我們10光年的星系，它的運動速度為2/3 c，並且朝向地球運動。這時測量，測出的距離卻是30光年，因為它當時發出的光到時，星系恰到達10光年處。3年後，星繫到了8光年處，那麼視距離為8光年的3倍，即24光年。結果，3年中，視距離減小了6光年……

地球上的人看到火箭以0.8c的速度遠離，火箭上的時鐘相對於地球上的人變慢，是地球時鐘的0.6倍。如果用火箭移動的距離除以火箭上的時間，將得到一個「速度」是4/3 c。 火箭上的人是以「相當於」超光速的速度運動。對於火箭上的人來說，時間沒有變慢，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於4/3 c的速度運動。這裡的問題是在於這種用一個坐標系的距離除以另一個坐標系中的時間所得到的數不是真正的速度。

萬有引力傳播的速度為光速，在相對論中，萬有引力的存在只是時空的彎曲的後果，並不是實際存在的一種力，且這種「後果」以光速傳播。

在量子場論中力是通過虛粒子來傳遞的。由於海森堡不確定性這些虛粒子可以以超光速傳播，但是虛粒子只是數學符號，超光速旅行或通信仍不存在。

量子隧道是粒子逃出高於其自身能量的勢壘的效應，在經典物理中這種情況不可能發生。計算一下粒子穿過隧道的時間，會發現粒子的速度超過光速。

一群物理學家做了利用量子隧道效應進行超光速通信的實驗：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。當然，這引起了很大的爭議。大多數物理學家認為，由於海森堡不確定性，不可能利用這種量子效應超光速地傳遞信息。如果這種效應是真的，就有可能在一個高速運動的坐標系中利用類似裝置把信息傳遞到過去。

當兩塊不帶電荷的導體板距離非常接近時，它們之間會有非常微弱但仍可測量的力，這就是卡西米效應。卡西米效應是由真空能引起的。Scharnhorst的計算表明，在兩塊金屬板之間橫向運動的光子的速度必須略大於光速（對於一納米的間隙，這個速度比光速大10-24）。在特定的宇宙學條件下（比如在宇宙弦（cosmicstring）的附近，這種效應會顯著得多。但進一步的理論研究表明不可能利用這種效應進行。

超光速理論尚不能被我們理解，但聰明的人類是否窺測到其中的奧妙？

首先，我們必須了解到我們作為人的局限性。在靜止的慣性系下我們對於時間的認識是通過相同時間段內的物體位移來累加，而對於Δt，也即最小單位時間我們卻無從下手。但因為我們是人，不是神，必然有一個與我們的思維時空相對應。如愛因斯坦提出光速不變原理，我們可想像成光變為秒針的格，每秒光走過一格，也即光速不變實際上是指我們作為參照系中的觀察者，本身對時間間隔Δt的感知是恆定的，光速不變是以這個感知頻次的恆定為前提條件的。

人類的觀察自我感覺是連續的，實際上是有一個頻次的。根據愛因斯坦的質能方程E=mc^2,我們知道靜止質量的消失並不意味著真空，而是以其它形式體現出來，因此我們需要重新界定數字的意義。當物體達到光速，其視界與我們相切。根據光速不變原理，也即電磁波傳播速度不變原理，我們知道每個參照系下的觀察頻次以觀察者為主不動搖，觀察者雖然在連續觀察，但也是通過辨別來認識事物，我們可以對所謂的連續觀察進行辨別時間切片，也即該辨別時間間隔與光速是同步的不動搖。

當物體達到光速時，已經與我們的辨別時間切片達到1：1的範疇，此時我們參照系的觀察者既無法認識光速的物體，物體也無法響應觀察者。雖然此時視界脫離，但我們不取為0點，而取此時為1.即觀察者與物體是沿著比例為1的絕對時空觀平行前進，只是該物體與我們的觀察時間切片平行，我們無法獲取到任何相關信息，但並不表示該物體不存在，所以取此時為1. 當物體繼續加速，是否時光就倒流了那？答案顯然是否定的，當以1為取點時，超距也即超過光速的作用被移到分母，也即變為1/X 的模式，此時我們仍舊無法直接觀察或認知到該物體。我們此時時間觀察切片為1，而物體的運動切片可能為2，也即我們會丟失掉一格的觀察。可以自降頻率，也即取物體的運動切片每2個取樣1次。這個的意思就是我們觀察到該物體不連續的，可能該物體突然出現，又突然湮沒，我們不明所以，但其實只是我們的觀察跟不上物體的時空轉換了。

我們平常自認為的邏輯就是物質不會憑空產生，也不會憑空消失，物質連續不斷，而超距的作用會使這些實現，但不會是時間倒流，如果我們取為1點，就很容易理解了。

超光速導致很多現象，如脈衝星，其運行速度超過光速，我們將觀察為脈衝形式，從我們的參照系觀察，脈衝星頻率越高，其超越光速的速度越小，脈衝星頻率越低其速度超越光速越大。而黑洞則是速度剛好等於光速的星體。

人類並未完全理解和完整闡釋基礎理論機構，尤其是牛頓三定律——運動力學的研究。我們的理解一直沉溺在宏觀上的研究。正確的方向，應該發展的是去完整闡釋， 牛頓三定律在微觀上的運動本質根源。但是很多人沒有意識到科學定律和生活中的細節。

研究的開始，僅僅是來自一束光—— 一束透過玻璃的光。然後揭開物質運動和「速度」本質。光透過玻璃不僅僅有折射和動量守恆的結果，還有速度的變化的過程。而這個過程，就是無意中讓我們窺探到運動「速度」的微觀本質奧秘。 外因總是通過內因才能改變事物狀態。我們以此思想為突破物質運動微觀本質的指導。物質運動「速度」的根源，必定有一個內因存在，然後才能讓我們看見宏觀的外在現象——即牛頓三定律可以解釋和看到的現象。當然，也許或者可能還存在牛頓三定律無法看到的更廣義的「極端」現象。

作為嚴謹的科學研究，我們不可能只拿光透過玻璃這個現象來論證自己的理論。為此我們找了許多年，看了許多基礎實驗的可以查證結果的現象。終於讓我們找到了「正反電子接觸湮滅瞬間變成高能光子」的現象。正反電子湮滅的過程，就是非常明顯的物質粒子內部某種結構破壞和重組產生的現象過程。這也是「內因改變外因」的最有利證據。

因此，我們在一定程度上解釋了物質運動「速度」的奧秘，並在此基礎理論框架的基礎之上，推演出了「物質運動超光速原理「、解釋了極端情況下動量不守恆和太陽日冕百萬度高溫的成因、宇宙奇點大爆炸之前的宇宙、對」宇宙空間「的闡釋和&34;天體紅移現象、甚至推演出一種極有可行的」時空穿梭「方法。

哈勃定理說：距離為D的星系以HD的速度分離。H是與星系無關的常數，稱為哈勃常數。距離足夠遠的星系可能以超過光速的速度彼此分離，但這是相對於第三觀察者的分離速度。

當月亮在地平線上的時候，假定我們以每秒半周的速度轉圈兒，因為月亮離我們385,000公裡，月亮相對於我們的旋轉速度是每秒121萬公裡，大約是光速的四倍多！這聽起來相當荒謬，因為實際上是我們自己在旋轉，卻說是月亮繞著我們轉。但是根據廣義相對論，包括旋轉坐標系在內的任何坐標系都是可用的，這難道不是月亮以超光速在運動嗎？

問題在於，在廣義相對論中，不同地點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。實際上，速度的概念在廣義相對論中沒多大用處，定義什麼是「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」並不是始終正確的。當時間和距離沒有絕對的定義的時候，如何確定速度並不是那麼清楚的。

儘管如此，現代物理學認為廣義相對論中光速仍然是不變的。當距離和時間單位通過光速聯繫起來的時候，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，月亮的速度仍然小於光速，因為在任何時刻，它都位於從它當前位置發出的未來光錐之內。

在相對論中「世界線」是一個重要概念，我們可以藉助「世界線」來給「超光速」下一個明確定義。

一切物體都是由粒子構成的，如果我們能夠描述粒子在任何時刻的位置，我們就描述了物體的全部「歷史」。想像一個由空間的三維加上時間的一維共同構成的四維時空。由於一個粒子在任何時刻只能處於一個特定的位置，它的全部「歷史」在這個四維時空中是一條連續的曲線，這就是「世界線」。一個物體的世界線是構成它的所有粒子的世界線的集合。

不光粒子的歷史可以構成世界線，一些人為定義的「東西」的歷史也可以構成世界線，比如說影子和光斑。影子可以用其邊界上的點來定義。這些點並不是真正的粒子，但它們的位置可以移動，因此它們的「歷史」也構成世界線。

四維時空中的一個點表示的是一個「事件」，即三個空間坐標加上一個時間坐標。任何兩個「事件」之間可以定義時空距離，它是兩個事件之間的空間距離的平方減去其時間間隔與光速的乘積的平方再開根號。狹義相對論證明了這種時空距離與坐標系無關，因此是有物理意義的。

時空距離可分三類：類時距離：空間間隔小於時間間隔與光速的乘積類光距離；類光距離：空間間隔等於時間間隔與光速的乘積；類空距離：空間間隔大於時間間隔與光速的乘積。

一條光滑曲線，「局部」地看，非常類似一條直線。類似的，四維時空在局部是平直的，世界線在局部是類似直線的，也就是說，可以用勻速運動來描述，這個速度就是粒子的瞬時速度。

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。在這個意義上，我們可以把光子的世界線說成是類光的。

任何以低於光速的速度運動的粒子的世界線，局部的看，相鄰事件之間的距離都是類時的。在這個意義上，我們可以把這種世界線說成是類時的。

而以超光速運動的粒子或人為定義的「點」，它的世界線是類空的。這裡說世界線是類空的，是指局部地看，相鄰事件的時空距離是類空的。

因為有可能存在彎曲的時空，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的，粒子並沒有超光速運動；但是存在相距很遠的兩個事件，其時空距離是類空的。這種情況算不算超光速呢？

這個問題的意義在於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。

「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物體之間相對於第三觀察者以「超光速」運動的情況。

E = mc^2/sqrt(1 - v^2/c^2)

上述公式是靜止質量為m的粒子以速度v運動時所具有的能量。

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，做的功等於粒子能量的增加。

當v趨近於c時，能量趨於無窮大，因此以通常加速的方式使粒子達到光速是不可能的，更不用說超光速了。

但是這並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，包括以光速運動的光子。衰變過程的細節無法用經典物理學來描述，因此我們無法否定通過衰變產生超光速粒子的可能性。

另一種可能性是速度始終高於光速的粒子。既然有始終以光速運動的光子，有始終以低於光速的速度運動的粒子，為什麼不會有始終以高於光速的速度運動的粒子呢？

問題是，如果在上述公式中v>c，要麼能量是虛數，要麼質量是虛數。假如存在這樣的粒子，虛數的能量與質量有沒有物理意義呢？應該如何解釋它們的意義？能否推出可觀測的預言？

只要找到這種粒子存在的證據，找到檢測這種粒子的方法，找到使這種粒子的運動發生偏轉的方法，就能實現超光速通信。

除引力外的所有物理現象都符合粒子物理的標準模型。標準模型是一個相對論量子場論，它可以描述包括電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用在內的三種基本相互作用以及所有已觀測到的粒子。根據這個理論，任何對應於兩個在有類空距離的事件處所作物理觀測的算子是對易的，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，沒有人能證明標準模型是自洽的。很有可能它實際上確實不是自洽的。無論如何，它不能保證將來不會發現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於因果性和局域性的如此簡單的表述能否作這樣的推廣。總而言之，在將來更完善的理論中，無法保證光速仍然是速度的上限。

快子是理論上預言的粒子。它具有超過光速的局部速度。它的質量是虛數，但能量和動量是實數。　有人認為這種粒子無法檢測，但實際未必如此。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。

尚無快子存在的實驗證據，絕大多數人懷疑它們的存在。有人聲稱在測Tritium貝塔衰變放出的中微子質量的實驗中有證據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。

實際上，大多數物理學家認為快子是場論的病態行為的表現，而公眾對於快子的興趣多是因為它們在科幻作品中出現得次數很多。

關於全局超光速旅行的一個著名建議是利用蟲洞。蟲洞是彎曲時空中連接兩個地點的捷徑，從A地穿過蟲洞到達B地所需要的時間比光線從A地沿正常路徑傳播到B地所需要的時間還要短。蟲洞是經典廣義相對論的推論，但創造一個蟲洞需要改變時空的拓撲結構。這在量子引力論中是可能的。

開一個蟲洞需要負能量區域，Misner和Thorn建議在大尺度上利用Casimir效應產生負能量區域。Visser建議使用宇宙弦。這些建議都近乎不切實際的瞎想。具有負能量的怪異物質可能根本就無法以他們所要求的形式存在。

Thorn發現如果能創造出蟲洞，就能利用它在時空中構造閉合的類時世界線，從而實現時間旅行。有人認為對量子力學的多重性（multiverse）解釋可以用來消除因果性悖論，即，如果你回到過去，歷史就會以與原來不同的方式發生。

Hawking認為蟲洞是不穩定的，因而是無用的。但蟲洞對於思想實驗仍是一個富有成果的區域，可以用來澄清在已知的和建議的物理定律之下，什麼是可能的，什麼是不可能的。

超光速運動的粒子，是普遍存在的。「微觀粒子的運動則不受介質的影響,除非粒子和介質發生碰撞。粒子的運動速率完全可以接近光速或者超過光速。對宇宙射線中的高速高能微觀粒子,沒法直接觀測它們的運動軌跡,因為粒子不是可以直接持續觀測的光源。但可以用兩種方法測量粒子的運動速率。第一種方法需要測量粒子產生位置的海拔高度和運動後到達位置的海拔高度並計算出它們運動走過的距離d,還需要知道它們的生存壽命即持續時間τ。按照速率定義有「速率=距離/時間」:v=d/τ,可以得到粒子速率。科學家發現宇宙射線中的質子撞擊地球大氣層時會產生π介子,部分π介子會進一步變成μ-子和中微子,μ-子是在約h1=10000米高空產生的[2], 科學家也在海拔高度約4000米的地表發現了μ-子,即10000米高空處產生的μ-子能到達h2=4000米高度的地表。已經知道μ-子的平均壽命為τ=2×10-6秒。有v=d/τ=(h1-h2)/τ=3×109米/秒,μ-子的速率為光速的10倍。 第二種方法需要測量粒子的動能E和質量m,根據E=mv2/2的動能公式,有v=(2E/m)1/2。物理學家測量到μ-子的質量是電子質量的207倍,有m=1.89×10-28千克,他們也測量到高空μ-子的能量為E=5×109電子伏即8×10-10焦耳。有v=(2E/m)1/2=3×109米/秒。這個結果和第一種方法計算得到的μ-子的速率一致。 所以宇宙射線中的μ-子是超光速運動的粒子。超光速運動的質子在撞擊地球大氣層時產生超光速運動的π介子,這些π介子中有部分變成超光速運動的μ-子。

原創首發。