如何打敗光速？

光速極快，每秒30萬公裡的速度，成了宇宙中物質和信息傳輸的速度極限。古代智人在廣闊的大陸上無法有效地互相聯繫僅僅是因為他們缺乏現代化的工具。一旦火車、電報、飛機、輪船等登上了歷史舞臺，全球的不同文明就註定緊密地聯繫了起來。

今後，太空移民遇到的問題則更為嚴重，不同星球移民之間的溝壑是基本物理理論造成的，因為光速無法滿足我們星際旅行的需要，而超光速的飛船和通訊手段都違背了狹義相對論。

一、無法逾越的光速

狹義相對論告訴我們，光速是宇宙中最快的旅行速度，即光速不能逾越。這對普通人來說是有點反直覺。在我們的日常體驗中，速度是可以疊加的。例如，小李坐在以v=200km/h速度高速行駛的火車上，然後在車廂裡順著火車前行的方向投擲棒球。對火車上的小李而言，他投出的棒球速度是u=100km/h。對窗外的觀測者小張而言，這個棒球的速度就是火車速度加上棒球相對於火車的速度，達到v+u=300km/h。

在這個棒球實驗中，我們通過疊加得到棒球相對於地面的速度（v+u）。這種做法被稱作伽利略變換（Galilean transformation）。在伽利略變換中，空間的量度是絕對的，與參考系無關；時間的量度也是絕對的，與參考系無關。這就是牛頓的絕對時空觀。

那麼如果小李在行駛的火車上，打開手電筒，發出的光束相對於地面的速度難道不會超過光速嗎？

19世紀末，實驗物理學家阿爾伯特·麥可遜（Albert Abrahan Michelson）和愛德華·莫雷（Edward Morley）發現伽利略變換竟然對於光的傳播不成立。不論在哪個參考系測量光速，都得到一個恆定的值，約是30萬公裡/秒。換句話說，如果你在火車上打開手電，無論對於火車上的乘客，還是對於車外地面上的觀測者，手電射出的光都以相同的速度傳播。

1905年，愛因斯坦（Albert Einstein）在其狹義相對論中提出，一切物理規律都應建立在兩個基礎上：光速不變原理和相對性原理。

相對論認為，物體的運動方程在不同參考系間的轉換應該使用洛倫茲變換（Lorentz transformation）而不是伽利略變換。但在物體低速（遠小於光速）運動時，伽利略變換是洛倫茲變換的很好的近似。洛倫茲變換最初是用來調和19世紀建立起來的經典電動力學與牛頓力學之間的矛盾，後來成為狹義相對論的基本方程。

狹義相對論還顯示，當棒球的速度接近光速時，它的慣性也趨於無窮大。無論你有多大的力量，只能以接近光速拋出棒球，而永遠無法抵達光速。在大型粒子加速器中，基本粒子被加速到非常接近光速的程度，狹義相對論的預言已經被物理實驗充分檢驗。

然而，中國科學院研究員李然博士認為，理論上在特定條件下，超光速旅行或許仍有希望。

二、改變空間距離打敗光速

光速極限為人類設置了物質（能量）、信息傳遞和太空旅行的嚴重障礙。是否有辦法打破它，理論家們提出了不少奇思妙想。

根據廣義相對論，物質的存在會使得空間彎曲，並存在引力透鏡效應。如果我們在遠處的恆星和觀察者之間放上另一個恆星（相當於透鏡天體），這個恆星造成的空間彎曲就會使得背景恆星發出的光線的傳播線路發生扭曲。在某些時候，恆星發出的光可能分成幾路到達地球。地球上的觀測者就會在天空的不同位置都看到同一顆恆星的像。

由於路徑的不同，每束光線經過的路程也不同。如果遙遠恆星死亡，產生超新星爆發，地球上的觀測者就會看到超新星在天空中若干個不同位置先後點亮，說明地球到恆星的距離隨空間的彎曲而有所改變。

科學家認為，如果要造出空間中的捷徑，我們需要劇烈改變空間的幾何。例如，造出一個科幻電影中講到的時空蟲洞（wormhole），即愛因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridge）。在數學上，蟲洞是廣義相對論引力場方程的特解，它可以從高維度空間連接我們所在空間相距遙遠的兩處，即空間兩點捷徑。

美國物理學家約翰·惠勒（John Archibald Wheeler）指出，在量子泡沫中，蟲洞可能不斷聯通，又不斷地消逝。極度發達的文明，也許有辦法從量子泡沫中挑出合適的蟲洞，將其擴展成一個供旅行者穿越的隧道。

天文學家卡而·薩根（Carl Edward Sagan）撰寫的《超時空接觸》科普書中這樣描寫超時空的穿越。他設計了被黑洞劇烈扭曲的時空中產生的蟲洞隧道，女主角被傳送到了26.5光年距離外的織女星，1小時後她出現在織女星旁的空間裡。這個傳遞速度在空間上顯然已經超越了光速。

三、操控空間膨脹打敗光速

另一種超時空旅行方案涉及操控空間的膨脹，例如《三體》中提到的曲率驅動引擎。大家知道，所有的星系都在遠離銀河系，這是因為宇宙空間在膨脹。距離我們越遠的星系，退行的速度就越快。由於這種膨脹完全是空間變化，所以不受光速的約束。只要星系距離我們足夠遠，它的退行速度完全可以超過光速。

假如我們可以操控時空，讓它不均勻地膨脹，也許就有可能使得飛船超過光速前行。1994年，墨西哥物理學家阿庫別瑞（Miguel Alcubierre）提出了曲率驅動引擎的理論，通過對時空本身的改造來驅動飛船。

他指出，可以構造一個時空氣泡，使得前進方向上的時空壓縮，而反方向的時空膨脹，時空曲率產生了巨大的向前引力，從而達到曲率引擎的效果。

這個時空氣泡有點像是在時空中划動的小船，只是它並非撥動水面，而是撥動了時空。一旦氣泡建造完成，飛船隻需要待在氣泡中就可以隨著氣泡一同運動了。氣泡通過彎曲前後的時空，達到超光速向前飛行。

然而，建造時空氣泡需要大量的負引力奇異物質。比利時科學家布盧克（Chris Van Den Broeck）計算顯示，建造一個時空氣泡，至少需要多於太陽質量的奇異物質。這顯然遠遠地超出了人類目前的能力。

四、結束語

需要指出的是，為了打破光速不可超越的限制，上述通過蟲洞改變空間距離，以及通過曲率驅動引擎操控時空膨脹的想法，目前僅僅是科學家理論探索的初級階段，甚至只是一些大膽的猜想，並且在可見的未來還無法實現。

然而，這些似乎並沒有違背現有的科學原理。我們需要保持好奇心，夢想還是要有的。

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