宇宙中這些真實的現(xiàn)象都比光速快，為什么它們卻不違背相對論？

“我沒有什么特別的才能，不過喜歡尋根刨底地追究問題罷了。” —— 愛因斯坦

今天要聊的問題是一個容易被大家搞混的問題，它就是光速！宇宙中有沒有比光速還快的現(xiàn)象？如果有，它們?yōu)槭裁礇]有違背相對論？相對論真正禁止的是什么？

光速c是一個絕對的物理常數(shù)。不管我們在宇宙的什么地方，也不管我們相對于其他物體的移動速度有多快，真空中的光速總是一樣的。這意味著沒有什么東西能跑得過光速，但真實的情況并沒有那么簡單。事實證明，有幾種方法可以讓物體的速度超過光速！

在介質(zhì)中超光速

我們知道光速不變只適用于真空中的光。當(dāng)光通過一種材料時，它的有效速度就會降低。通常受介質(zhì)折射率n的影響，其中有效光速為c/n（n總是大于1）。例如，當(dāng)光在水中傳播時，它的速度大約是0.75c。正因為如此，粒子有可能在物質(zhì)中“打破光的屏障”，同時仍然以低于c的速度運動。

例如，在核反應(yīng)堆中，電子以接近光速的速度被發(fā)射出來。當(dāng)這些電子穿過反應(yīng)堆周圍的冷卻劑（水）時，它們的速度就比光穿過水的速度要快，從而打破了光的屏障。我們知道當(dāng)飛機飛行速度超過音速時會產(chǎn)生音爆，這是由空氣沖擊波引起的。當(dāng)電子突破光障時，也會發(fā)生類似的效應(yīng)。電子產(chǎn)生一種稱為切倫科夫輻射的光學(xué)“沖擊波”，使核反應(yīng)堆發(fā)出幽幽的藍(lán)光。

光子穿過太陽的隨機路徑

光子在太陽中運動及其緩慢

另一種比光在介質(zhì)中傳播更快的現(xiàn)象是恒星中的聲波。在太陽中（和任何恒星一樣），光是通過核聚變在其核心產(chǎn)生的，以光的速度旅行，到達(dá)太陽表面只需2到3秒。但是太陽內(nèi)部充滿了非常密集的帶電粒子，這些離子會散射光子，導(dǎo)致光子不能簡單地沿直線傳播。平均而言，太陽核心中的一個光子在與一個離子碰撞之前，其傳播距離還不到一厘米。然后光子會被以隨機的方向散射出去。現(xiàn)在想象一個光子想要離開太陽，但每行走一厘米都會被隨機反彈。光子在太陽中的隨機漫步意味著光從太陽的核心到它的表面實際上需要2萬到15萬年。

但是聲波的傳播方式不同。它們是壓力波，通過材料傳遞能量，而不是傳遞材料本身。因此，它們不會受到核心離子的阻礙。聲波可以以每秒數(shù)千米的速度穿過太陽，它們會使太陽作為一個整體而發(fā)生振動。對這些聲波振動的研究被稱為日震學(xué)，對其他恒星的研究稱為星震學(xué)。通過分析這些聲音，我們可以確定諸如太陽內(nèi)部密度和壓力之類的一些事情。

但這兩種現(xiàn)象實際上都沒有比真空中的光速快。那么在真空中有沒有比光速還快的物體呢？由于廣義相對論，這在某種程度上也是可能的。

空間膨脹速度超光速

自20世紀(jì)20年代以來，我們就知道星系距離我們越遠(yuǎn)，所發(fā)出的光紅移就越大，因此星系離我們越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離我們的速度就越快。這種紅移和距離之間的關(guān)系稱為哈勃定律。隨著時間的推移，我們逐漸認(rèn)識到，這種關(guān)系并不是跟我們所認(rèn)為的爆炸一樣，星系是從一個點飛馳出去的，而是由于空間本身在膨脹。

宇宙膨脹的速度是由所謂的哈勃常數(shù)決定的。目前我們對哈勃常數(shù)的最佳的測量是20公里/秒每百萬光年。這意味著空間中相距100萬光年的兩點正以每秒20公里的速度相互遠(yuǎn)離。由于所有的空間都在膨脹，空間中兩點之間的距離越大，它們之間的分離的就越快。正因為如此，如果我們考慮的兩點之間的距離足夠遠(yuǎn)，它們之間遠(yuǎn)離的速度就會比光速還快。由于光速大約是30萬公里/秒，根據(jù)我們目前的哈勃常數(shù)，這意味著超光速的臨界距離大約是150億光年。

一個距離我們160億光年遠(yuǎn)的星系正在以比光還快的速度遠(yuǎn)離我們，但這個遙遠(yuǎn)的星系并沒有違背相對論。從這個遙遠(yuǎn)星系的角度來看，我們正在以比光還快的速度遠(yuǎn)離它，因為速度是相對的。但要記住的關(guān)鍵點是，這種相對運動是由于宇宙膨脹，而不是星系運動。相對論要求沒有什么東西能比光在真空中移動得更快，但它不限制空間本身的膨脹。

比光速還快的量子糾纏

最奇怪的比光速還快的相互作用就是量子糾纏。假設(shè)你和我有一個共同的朋友，她決定給我們兩個人送一副手套，她把兩只手套分別裝進兩個盒子里，寄給我們兩個人每人一只。所以我們都知道自己得到了一對手套中的一只。但在我們打開各自的盒子之前，我們都不知道自己拿的是哪只手套，它有可能是右手也可能是左手。當(dāng)你打開盒子，發(fā)現(xiàn)寄給你的手套是左手。那么就在這一刻，你瞬間就會知道我的手套一定是右手。

這就是所謂的愛因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）實驗的基本思想。在量子理論中，在你觀察事物之前，事物可以處于一種不確定的狀態(tài)。這就好比你的盒子里有一只手套，但是在測量之前你是不可能知道具體是左手還是右手。

在量子理論中，我們會說盒子里包含的事物處在疊加狀態(tài)，結(jié)果只有在觀察時才會變得確定。這意味著在我們打開盒子之前，結(jié)果是糾纏不清的。當(dāng)我們知道一個盒子里的內(nèi)容就能立即知道另一個盒子里的內(nèi)容。我們實際上已經(jīng)用兩個糾纏的光子對做了這樣的實驗，并確定其確實有效。

如果我們使用量子理論的標(biāo)準(zhǔn)哥本哈根解釋，對一種狀態(tài)的觀測會使得“糾纏系統(tǒng)的波函數(shù)”坍縮。這種坍縮是瞬間發(fā)生的，因此顯然比光速還要快。但這并沒有違反相對論，因為關(guān)于系統(tǒng)信息的傳播速度并不比光速快。換句話說，你對量子系統(tǒng)測量的結(jié)果信息不會以比光速還快的速度去傳遞給別人。你所做的觀察不會改變其他人的不確定狀態(tài)，直到其他人從你那里得到關(guān)于糾纏系統(tǒng)的信息。

我們還來說手套，你在收到手套的時候，手套的左右處在疊加狀態(tài)，你打開盒子知道了你的是左手，我們的是右手。但是你對手套的觀察并不會改變我收到手套的不確定狀態(tài)，你如果想告訴我們，關(guān)于測量結(jié)果的信息，也會收到光速的限制。

這一切意味著，沒有任何方法可以比光更快地發(fā)送信息。

總結(jié)：相對論限制的是什么？

因此很多東西的速度都比光速快，而且制造出這樣的裝置很簡單，這是因為相對論并沒有阻止超光速旅行。它真正禁止的是信息或物體在空間中以比真空中光速更快的速度傳遞。因此，除非我們掌握了極端時空彎曲方法，并能讓物體通過蟲洞，否則我們?nèi)孕钄?shù)年、數(shù)百年或數(shù)千年才能到達(dá)太陽以外的任何恒星。