超光速现象存在吗？光速真的不可超越

提到光速首先应该想到爱因斯坦和他的相对论，相对论是20世纪初物理学取得的最伟大的成就之一。

相对论从根本上改变了一直以来所形成的关于时间、空间和运动的陈旧概念，建立了一个新时空。

首先我们来了解一下，爱因斯坦的相对论是在什么背景下产生的。

18世纪时期，牛顿的经典力学依然是人们普遍认同的物理定律，但人们那时候还没有意识到经典力学的局限性（仅适用于宏观世界以及低速的状态下）。

随着电磁学的兴起，科学家开始系统的研究电磁现象，并且探寻造成这些电磁现象的基本原因。

有一位叫做詹姆斯·麦克斯韦的科学家基于物质的粒子绘景，推导出来了微观麦克斯韦方程，成功的解释了当时的各种电磁现象，通过方程组也预测了一些电磁现象，也正因为如此，麦克斯韦也被称为电磁学的奠基人。

詹姆斯·麦克斯韦

我们讨论相对论，和电磁学有什么关系呢？别急，往下看。

19世纪末期，科学家发现麦克斯韦方程组经过经典力学中的伽利略变换之后，该方程出现了改变，即不符合相对性原理。

麦克斯韦方程组

大概意思就是说：在一个坐标系的物理定律，经过适当的坐标变换之后，这个物理定律可以适用于所有的坐标系。

前面已经提到麦克斯韦方程组已经成功被大量的实验所证实，所以麦克斯韦方程组的正确性是毋庸置疑的。

那么问题来了，究竟是经典力学的伽利略变换有局限性，亦或者是相对性原理的问题。

科学家首先就把矛头指向了相对性原理，放弃相对性原理之后提出了“以太假说”，从该假说推导出光速对不同的参考系有不同的数值。

然而，很快斐索实验和迈克耳孙-莫雷实验就表明了光速与参考系的运动无关。

迈克耳孙-莫雷实验原理

“以太假说”不攻自破。这也行侧面证明了相对性原理的正确性。也就是说伽利略变换具有局限性。

这时候，洛伦兹提出了洛伦兹变换，自此，麦克斯韦方程组和相对性原理的矛盾终于解决了。

荷兰物理学家 洛伦兹

1905年，爱因斯坦经过总结发布了一篇论文，题目是《论动体的电动力学》，初步提出了狭义相对论的概念，其中包括两大基本原理，其他关于狭义相对论的结论都是在这两条基本假设的基础上推倒而来的。

基本假设一、光速不变理论

通俗来讲就是：无论在任何参考系下，光速永远是299792458m/s，并不会因为参考系的运动使得光速叠加。

基本假设二、狭义相对性原理

以下是根据狭义相对论推导出的著名的结论。

1.光速是宇宙中所有物体的运动以及信息传递的上限。同时也是无静止质量粒子（光子）和对应的场波动（引力波，电磁波）在真空中的速度。

2.著名的质能等价公式E=mc²。

由公式可以发现，物体的静质量与速度是成正比的，当一个物体以光速运动，那么其质量也将会变得无穷大，也就是说任何静质量不为零的物质是不可能达到光速的，因为如果要达到光速，这就需要无穷的能量来推动，而无穷多的能力是不存在的，也就无法达到光速了。

那什么情况下会超光速呢？

答案很简单：只要不涉及能量和信息的传递就可以了。

宇宙中的超光速现象有哪些？

宇宙加速膨胀

宇宙膨胀其实来源于宇宙大爆炸理论，而宇宙大爆炸自然说的就是在138亿年前，一个质量、热量、密度无限大，体积无限小的奇点发生热爆炸诞生了宇宙。

宇宙中的大多数星系都在远离银河系，不过不是因为这些星系本身的运动所造成的，而是因为星系之间的空间膨胀才导致星系之间互相远离。

最早发现宇宙膨胀的天文学家是乔治·勒梅特，他观测到大部分的星系光谱都存在着红移的现象，之后提出了著名的哈勃定律V=H₀D，这个H₀就是宇宙膨胀的速度。

H₀单位是千米每秒每兆帕秒，意味着地球和目标星系之间每相隔百万分之一秒，星系的速度就会增加哈勃常数这一个常数的值。

哈勃常数在宇宙计算中有着举足轻重的作用，是量化宇宙演变最直接的工具之一，还可以计算宇宙的绝对规模、大小和年龄。

那么应该如何测算它的数值呢？有两种方法。

一是利用宇宙微波背景辐射。原理是利用这些辐射中微小的起伏从而推算出哈勃常数的数值。

宇宙背景辐射产生于宇宙大爆炸之后的30万年之后，是一种充满宇宙的电磁辐射。宇宙微波背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性、黑体形式还有各向异性的微波辐射。根据大爆炸理论，宇宙是从极热的一种状态而来，而背景辐射会随宇宙膨胀逐渐变冷，但是背景辐射的能谱的最原始黑体形状被保存了下来。

宇宙微波背景指的是宇宙大爆炸时期，所遗留的热辐射（简称CMB，或遗留辐射），这种辐射充满了整个宇宙，同时可以称得上是宇宙中最古老的光。

宇宙微波背景

另一种是通过观测造父变星和la超新星，原理是测算我们距离类星体和中间星系的距离，再把这段距离和物体的红移进行比较，看物体的光被拉伸了多少。

光谱红移

红移，是指电磁辐射波长增加，频率降低到一种现象。在可见光波段中光谱的谱线会朝红色一端移动一段距离，相反的，也有蓝移，与之对应的是：波长变短频率增加。

星系红移

科学家通过了1965年发现的宇宙3K微波背景辐射现象和红移现象观测计算出来了哈勃常数的值，科学家目前观测到的哈勃常数为H=67.80±0.77km/s/Mpc，就是说距离每增加一百万秒差距，两个星系的退行速度增加67.80千米每秒。

在这种测定方法中，不仅得到了宇宙膨胀的速度，甚至得出了宇宙加速膨胀的结论。

实际上我们通过宇宙微波背景得到的宇宙年龄为138亿岁。而宇宙可观测直径就达到了930亿光年，同样可以知道宇宙在超光速膨胀的结论。

那么宇宙膨胀超光速和爱因斯坦的相对论矛盾吗？

当然不矛盾，因为宇宙膨胀是空间自身膨胀，同时也并不涉及信息传递。

量子纠缠

在量子力学中，当几个粒子彼此之间相互作用后，各个粒子拥有的特性会成为整体特性。这种性质就叫做量子纠缠。

举个简单的例子：

假设一个零自旋粒子衰变称为两个以相反方向移动的两个粒子之后，对其中的一个粒子测量自旋，如果得到的是上旋那么另一个粒子一定是下旋。

更不可思议的是这种现象不受距离的限制，即使是两个粒子放在930亿光年的两端，依然可以观测到量子纠缠现象。

科学家也提出：量子纠缠到速度至少比光速快10000倍。但科学家至今仍不明白量子纠缠到基础机制。

接着我们再来讨论，量子纠缠由于不能传递信息，所以也没有违背爱因斯坦的相对论。

量子纠缠现象

爱因斯坦的相对论从一定程度上间接的催生了量子力学这门物理学科，同时也为研究微观世界的高速运动确立出全新的数学模型。由此可见相对论在物理界的地位。

结语

题目中的光速不可超越，是由狭义相对论推导出的结论，具有一定的前提条件。- -直以来人们认为光速不可超越，然而超光速现象一件一件的被发现，其实是大多数人没有正确理解“光速无法超越”这个定理，对这个定理产生了逻辑性的错误。

我们人类对于宇宙的探索还很遥远，未来也许还会发现更多的超光速现象，但可以肯定的是它们一定不存在信息传递。