為啥沒有任何東西能超越光速？
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2011年9月，物理學家安東尼奧?伊雷迪塔托(Antonio Ereditato)震驚了世界。他宣布的消息將徹底改變我們對宇宙的理解方式。如果參與OPERA項目的160名科學家收集的數據正確的話，說明我們已經成功觀測到了不可能發生的事情。
這件事就是：粒子(這裡指的是中子)的運動速度超過了光速。
根據愛因斯坦的相對論，這應該是不可能發生的。假如這件事成真，它的影響也十分巨大，許多物理學知識都必須予以重新考慮。
我們運動的速度不可能和光速一樣快。
新視野號於2015年飛抵冥王星。
雖然伊雷迪塔托和他的團隊稱，他們對自己的研究結果抱有「高度自信」，但他們從未說過自己的結果是完全精確的。事實上，他們還邀請了其他科學家來幫助他們弄清究竟發生了什麼事情。
最後他們發現，OPERA項目的結果是錯誤的。由於一處電纜接觸不良，從GPS衛星傳來的信號出現了延遲。結果中子的運動時間縮短了73秒，看上去就好像比光速還快一樣。
雖然科學家們在實驗之前進行了好幾個月的細緻檢查，在實驗之後也進行了反覆核查，但這一次，科學家們還是犯了錯誤。雖然很多人指出，在粒子加速器這麼複雜的機器中，這樣的錯誤總會發生，但伊雷迪塔托還是引咎辭職了。
為什麼人們都將「某種東西比光速還快」這件事看得這麼嚴重呢？我們真就那麼確定沒有東西能超過光速嗎？
讓我們先來看看第二個問題。真空中的光速是每秒299792.458公里，約等於每秒30萬公里，速度非常之快。太陽距地球約1.5億公里，光只需要8分20秒就能跑過這段距離。
我們造出來的東西能與光速相提並論嗎？新視野號空間探測器是人類造出的速度最快的東西之一，相對地球的運行速度只有每秒鐘16公里，比每秒鐘30萬公里差了一大截。
但粒子的速度可以比這快得多。上世紀60年代初，麻省理工學院的威廉?貝托齊(William Bertozzi)開展了一項實驗，不斷給電子加速，使電子的速度越來越快。由於電子帶負電荷，只要使一塊材料帶上同樣的負電荷，就能把電子向前推出去。施加的能量越高，電子的速度也就越快。
光纖可以傳輸信息。
時間可以放慢或加速。
你可能會以為，要想達到每秒鐘30萬公里的速度，只要增加所施加的能量就可以了。但我們發現，電子是不可能達到那麼高的運行速度的。貝托齊的實驗顯示，增加能量之後，電子的運行速度並不會簡單地成比例增加。到了後來，就算施加了大量能量，電子的速度也只能加快一點點。這一速度會不斷接近光速，但永遠無法真正追上光速。
想像一下，你正在朝一扇門走過去，每次走的長度都是你現在和門之間距離的一半。嚴格來說，你永遠也走不到門跟前，因為每走一步之後，你和門之間仍然存在一定距離。貝托齊的電子加速實驗遇到的也是類似的問題。
但光也是由一種叫做光子的粒子構成的。為什麼這些粒子就能達到光速，電子之類的粒子就不行呢？
「物體的運動速度越快，它就會變得越重；而物體變得越重，要想加速也就越難，因此你永遠不可能達到光速。」墨爾本大學的一名物理學家羅傑?拉索爾(Roger Rassool)說道，「光子實際上是沒有質量的。如果它有質量，也就不可能以光速運行了。」
光子是一種非常特殊的粒子。不僅因為它們沒有質量，讓它們在宇宙這樣的真空中可以無拘無束地自由穿梭，還因為它們根本不需要加速。光的能量藉助波的形式傳播，這意味著從光子誕生的那一刻起，它就已經達到了最高速度。
不過，光有時似乎傳播得比我們認為的要慢一些。雖然互聯網技術人員喜歡說信息「以光速」在光纖中傳播，但光在光纖的玻璃中傳播的速度其實比在真空中慢40%。
事實上，這些光子的運行速度仍然是每秒鐘30萬公里，但在光波穿過玻璃時，會從玻璃原子中釋放出其它的光子，對之前的光子造成一定干擾。這一點可能很難理解，但值得我們去注意一下。。
與之類似，科學家在實驗中通過改變光子的形狀，成功減慢了單個光子的速度。
不過，在絕大多數情況下，我們還是可以說光速就是每秒30萬公里。我們還未觀察到過、或者造出過能與光速媲美、甚至超過光速的東西。下文中提到了一些特殊的案例，但在此之前，讓我們先來解決另一個問題：為什麼光速這麼重要呢？
答案與一位叫做阿爾伯特?愛因斯坦的男人有關。他的狹義相對論對這一速度上限引發的許多後果進行了探討。
該理論最重要的觀點之一是，光速是一個常量。無論你身在何處，無論你速度多快，光傳播的速度始終保持不變。
但這也帶來了一些概念上的問題。
光從太陽來到到地球上。
想像一下這樣的場景：手電筒的光柱投射到一艘靜止的宇宙飛船的天花板上。光線先是朝上，被鏡子反射回來，然後投射到地板上。假設光線經過的距離為10米。
然後再想像一下，宇宙飛船開始以超高速運行，速度為每秒數千、甚至數萬公里。你打開手電筒之後，光線的運動方式看上去和之前一樣：先是往上走，然後被鏡子反射回來，投射到地板上。但由於鏡子此時正和宇宙飛船一起高速運行，要實現這樣的效果，光線的運動軌跡必須傾斜於地面，而不是垂直於地面。
因此光線經過的距離比之前增加了。假設這段距離增加了5米，光線經過的總距離就變成了15米，而不是之前的10米。
不過，雖然這段距離增加了，根據愛因斯坦的理論，光速仍然是不變的。速度等於距離除以時間，既然速度不變，距離增加，時間應該也增加了才對。
不錯，時間本身也被拉長了。這聽上去很異想天開，但實驗已經證實了這一點。
這種現象名叫時間膨脹效應。這意味著對於在高速運行的汽車中的人來說，時間過得比靜止時要慢一些。
例如，國際空間站相對地球的運動速度是每秒7.66公里，對於宇航員來說，時間比地球上慢了0.007秒。
而套用到粒子身上，事情就更有趣了。比如上文提到的電子，它們可以以接近光速的速度運行。對於這些粒子來說，時間膨脹效應就更明顯了。
其它星系正在離我們而去。
牛津大學的一名實驗物理學家史蒂文?科爾斯海默(Steven Kolthammer)用渺子舉例說明了這一點。渺子十分不穩定，很快就會分裂成其它更簡單的粒子。按照它們的衰變速度，大部分渺子在離開太陽之後，等到抵達地球時，就應該已經衰變了才對。但事實上，仍有大批渺子能成功抵達地球。長時間以來，科學家一直對這一點感到大惑不解。
「原因是渺子在誕生時的能量極其巨大，因此渺子能夠以接近光速的速度運行，」科爾斯海默說道，「所以對於它們而言，時間其實放慢了不少。」
渺子之所以能「存活」得比我們以為的更久，靠的就是實際存在的、天然的時間彎曲效應。
當物體相對於其它物體的運動速度更快時，它們的長度也會收縮。時間膨脹效應和尺縮效應都是時空根據物體的運動狀態發生改變的例子。比如你，比如我，比如宇宙飛船，物體只要有質量，就會出現這些現象。
但愛因斯坦指出，最關鍵的是，光不會受到這些效應的影響，因為光沒有質量。正是因為這一點，這些定律之間的統一才那麼重要。如果有什麼東西的運動速度超過了光速，它們就會與宇宙運作的基本法則相違背。
但也有一些例外的現象。
首先，雖然我們還沒觀察到有什麼東西能超過光速，但這並不意味著，在非常特殊的情況下，理論上是無法打破光速的限制的。
宇宙膨脹就是一個例子。宇宙中有一些星系，它們從彼此身邊逃離的速度就超過了光速。
另一個有趣的例子則與粒子有關。這些粒子無論相隔多遠，似乎都能同時表達出相同的特性。這一現象叫做「量子糾纏」。從本質上來說，光子可以在兩種狀態間隨機轉換，但如果兩個光子之間存在量子糾纏的話，其中一個光子的狀態將恰好與另一處的光子完全相同。
因此，如果兩名科學家各負責觀察一個光子，他們就能同時得到相同的結果，而這一速度是超過了光速的。
如果蟲洞存在的話，我們可以對其加以利用。
不過，在上述兩個例子中，我們必須注意到，信息在兩個實體之間傳播的速度是無法超過光速的。我們可以計算宇宙的膨脹速度，但我們無法在其中觀察到任何超過光速運行的物體，就好像它們從我們的視線中消失了一樣。
至於那兩名研究光子的科學家，雖然他們能同時得到相同的結果，但他們向對方確認這一事實的速度也不可能超過光速。
「這讓我們避免了各種棘手的問題，因為如果你發射信號的速度超過光速的話，就可能引發一些詭異的悖論，讓信息在時間上出現了倒退。」科爾斯海默說道。
不過，從技術層面來講，還有另一種方法能實現超光速運動：利用時空中本身存在的縫隙，從而避免受到普通運動法則的牽制。
德州貝勒大學的傑拉德?克利佛(Gerald Cleaver)對製造超光速宇宙飛船的可行性進行了研究。一種方法是穿越蟲洞。時空中存在一些環狀迴路，這與愛因斯坦的理論是完全一致的。宇航員可以利用這些捷徑，從宇宙中的某一處地方直接跳到另一處去。
物體在蟲洞中運行的速度不會超過光速，但從理論上來說，它到達目的地的時間的確比光走正常路線所需的時間要短。
但我們也許無法利用蟲洞進行空間旅行。那麼，我們能否以某種可控的方式主動使時空發生彎曲，從而使相對的運動速度超過光速呢？
克利佛對一種名為「曲速引擎」(Alcubierre drive，又名阿庫別瑞引擎)的概念進行了研究，這一概念是理論物理學家米格爾?阿庫別瑞於1994年提出的。從根本上來說，它描述的是這樣一種情境：宇宙飛船前方的時空會收縮，將宇宙飛船向前拉去，而與此同時，飛船後方的時空則會膨脹，產生推動效應。
「但問題是，我們怎樣才能實現這一點呢？實現它又需要多大的能量呢？」克利佛說道。
可見光只是電磁光譜的一部分。
2008年，克利佛和他手下的研究生理查德?奧伯塞(Richard Obousy)對所需的能量進行了計算。
「我們發現，假設飛船大小為10米*10米*10米、即總體積為1000立方米的話，光是啟動這一過程所需的能量數量級就與木星的質量相當。」
而在啟動之後，我們還需要不斷供應能量，保證這一過程不會中斷。沒人知道我們要怎樣才能做到這一點，也沒人知道這需要什麼樣的技術。
「我可不想預言說這永遠不可能成真，結果被後人詬病數百年，」克利佛說道，「但就目前而言，我真不知道怎樣才能做到這一點。」
因此就現在來說，超光速旅行依然如神話般遙不可及。
不過先別失望。在本文中，我們考慮的主要是可見光。但事實上，真正的光比這要寬泛得多。從無線電波到微波，再到可見光、紫外線、X射線和原子衰變時釋放的伽馬射線，這些神奇的射線都是由同一種物質組成的——光子。
它們之間的區別在於能量和波長的不同。這些射線加起來，就構成了完整的電磁光譜。無線電波能以光速傳播，這對於通訊的用處非常巨大。
科爾斯海默在他的研究中搭建了一個電路系統，用光子從電路的一部分向另一部分發射信號。因此他在光速的用途上很有發言權。
「現在的互聯網和以前的無線電都是這樣的例子，光速為我們提供了巨大的便利。」他指出。
科爾斯海默還補充說，光在宇宙中還起到了溝通的作用。當一部手機中的電子振動時，便會釋放出光子，讓另一部手機中的電子也開始振動。你打電話的時候，就會經歷這樣的過程。
太陽中的電子振動時也會釋放出光子，正是它們產生的光線孕育了地球萬物。
光就像宇宙中的廣播節目。光速為每秒鐘299792.458公里，這一速度始終保持不變。並且，時空還具有延展性，無論人們身在何方，無論他們正處於怎樣的運動狀態，每個人都遵循著相同的物理法則。
不過，誰會願意運動得比光速還快呢？那場景一定太美，讓人不容錯過。
※為什麼光速無法超越？
※為什麼我們無法超越光速？
※光速不能被超越，那麼能夠減慢嗎？
※光速不可超越？那假如超越光速會怎樣呢？
※光速不可超越？錯，兩種方式遠遠超越光速
※只有一樣東西能超越方程與邏輯
※超越馬雲的印度富豪到底有何能耐？
※光速是否在任何情況下都是不可超越的？
※超越光速不可能，不超越光速也可返回過去
※都說速度超越光速能回到過去，速度能超越光速么
※人類如何才能超越光速？你肯定想不到！
※為什麼光速不能超越？超光速會顛倒因果，使愛因斯坦理論崩潰
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