为什么光速不可超越狭义相对论(相对论光速不可超越)

导语：这些真实的现象都比光速快，为什么它们却不违背相对论？

“我没有什么特别的才能，不过喜欢寻根刨底地追究问题罢了。” —— 爱因斯坦

今天要聊的问题是一个容易被大家搞混的问题，它就是光速！宇宙中有没有比光速还快的现象？如果有，它们为什么没有违背相对论？相对论真正禁止的是什么？

光速c是一个绝对的物理常数。不管我们在宇宙的什么地方，也不管我们相对于其他物体的移动速度有多快，真空中的光速总是一样的。这意味着没有什么东西能跑得过光速，但真实的情况并没有那么简单。事实证明，有几种方法可以让物体的速度超过光速！

在介质中超光速

我们知道光速不变只适用于真空中的光。当光通过一种材料时，它的有效速度就会降低。通常受介质折射率n的影响，其中有效光速为c/n（n总是大于1）。例如，当光在水中传播时，它的速度大约是0.75c。正因为如此，粒子有可能在物质中“打破光的屏障”，同时仍然以低于c的速度运动。

例如，在核反应堆中，电子以接近光速的速度被发射出来。当这些电子穿过反应堆周围的冷却剂（水）时，它们的速度就比光穿过水的速度要快，从而打破了光的屏障。我们知道当飞机飞行速度超过音速时会产生音爆，这是由空气冲击波引起的。当电子突破光障时，也会发生类似的效应。电子产生一种称为切伦科夫辐射的光学“冲击波”，使核反应堆发出幽幽的蓝光。

光子穿过太阳的随机路径

光子在太阳中运动及其缓慢

另一种比光在介质中传播更快的现象是恒星中的声波。在太阳中（和任何恒星一样），光是通过核聚变在其核心产生的，以光的速度旅行，到达太阳表面只需2到3秒。但是太阳内部充满了非常密集的带电粒子，这些离子会散射光子，导致光子不能简单地沿直线传播。平均而言，太阳核心中的一个光子在与一个离子碰撞之前，其传播距离还不到一厘米。然后光子会被以随机的方向散射出去。现在想象一个光子想要离开太阳，但每行走一厘米都会被随机反弹。光子在太阳中的随机漫步意味着光从太阳的核心到它的表面实际上需要2万到15万年。

但是声波的传播方式不同。它们是压力波，通过材料传递能量，而不是传递材料本身。因此，它们不会受到核心离子的阻碍。声波可以以每秒数千米的速度穿过太阳，它们会使太阳作为一个整体而发生振动。对这些声波振动的研究被称为日震学，对其他恒星的研究称为星震学。通过分析这些声音，我们可以确定诸如太阳内部密度和压力之类的一些事情。

但这两种现象实际上都没有比真空中的光速快。那么在真空中有没有比光速还快的物体呢？由于广义相对论，这在某种程度上也是可能的。

空间膨胀速度超光速

自20世纪20年代以来，我们就知道星系距离我们越远，所发出的光红移就越大，因此星系离我们越远，远离我们的速度就越快。这种红移和距离之间的关系称为哈勃定律。随着时间的推移，我们逐渐认识到，这种关系并不是跟我们所认为的爆炸一样，星系是从一个点飞驰出去的，而是由于空间本身在膨胀。

宇宙膨胀的速度是由所谓的哈勃常数决定的。目前我们对哈勃常数的最佳的测量是20公里/秒每百万光年。这意味着空间中相距100万光年的两点正以每秒20公里的速度相互远离。由于所有的空间都在膨胀，空间中两点之间的距离越大，它们之间的分离的就越快。正因为如此，如果我们考虑的两点之间的距离足够远，它们之间远离的速度就会比光速还快。由于光速大约是30万公里/秒，根据我们目前的哈勃常数，这意味着超光速的临界距离大约是150亿光年。

一个距离我们160亿光年远的星系正在以比光还快的速度远离我们，但这个遥远的星系并没有违背相对论。从这个遥远星系的角度来看，我们正在以比光还快的速度远离它，因为速度是相对的。但要记住的关键点是，这种相对运动是由于宇宙膨胀，而不是星系运动。相对论要求没有什么东西能比光在真空中移动得更快，但它不限制空间本身的膨胀。

比光速还快的量子纠缠

最奇怪的比光速还快的相互作用就是量子纠缠。假设你和我有一个共同的朋友，她决定给我们两个人送一副手套，她把两只手套分别装进两个盒子里，寄给我们两个人每人一只。所以我们都知道自己得到了一对手套中的一只。但在我们打开各自的盒子之前，我们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。当你打开盒子，发现寄给你的手套是左手。那么就在这一刻，你瞬间就会知道我的手套一定是右手。

这就是所谓的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）实验的基本思想。在量子理论中，在你观察事物之前，事物可以处于一种不确定的状态。这就好比你的盒子里有一只手套，但是在测量之前你是不可能知道具体是左手还是右手。

在量子理论中，我们会说盒子里包含的事物处在叠加状态，结果只有在观察时才会变得确定。这意味着在我们打开盒子之前，结果是纠缠不清的。当我们知道一个盒子里的内容就能立即知道另一个盒子里的内容。我们实际上已经用两个纠缠的光子对做了这样的实验，并确定其确实有效。

如果我们使用量子理论的标准哥本哈根解释，对一种状态的观测会使得“纠缠系统的波函数”坍缩。这种坍缩是瞬间发生的，因此显然比光速还要快。但这并没有违反相对论，因为关于系统信息的传播速度并不比光速快。换句话说，你对量子系统测量的结果信息不会以比光速还快的速度去传递给别人。你所做的观察不会改变其他人的不确定状态，直到其他人从你那里得到关于纠缠系统的信息。

我们还来说手套，你在收到手套的时候，手套的左右处在叠加状态，你打开盒子知道了你的是左手，我们的是右手。但是你对手套的观察并不会改变我收到手套的不确定状态，你如果想告诉我们，关于测量结果的信息，也会收到光速的限制。

这一切意味着，没有任何方法可以比光更快地发送信息。

总结：相对论限制的是什么？

因此很多东西的速度都比光速快，而且制造出这样的装置很简单，这是因为相对论并没有阻止超光速旅行。它真正禁止的是信息或物体在空间中以比真空中光速更快的速度传递。因此，除非我们掌握了极端时空弯曲方法，并能让物体通过虫洞，否则我们仍需数年、数百年或数千年才能到达太阳以外的任何恒星。

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