超光速(FTL或超光速)將成為討論的話題，這源於相對論中局部物體在真空中不能超過光速C的推論限制，光速在很多情況下成為了速度的上限。在此之前的牛頓力學並沒有限制超光速。在相對論中，運動的速度與物體的其他屬性密切相關，比如它的質量，甚至是它在參照系中的時間流逝。如果壹個速度低於光速的物體(在真空中)想要加速到光速，它的質量會增加到無窮大從而需要無限的能量，它感覺到的時間流逝甚至會停止(如果超過光速，會有壹個“時光倒流”)，所以理論上不可能達到或超過光速(至於光子，是因為它們壹直在)。但這也讓物理學家(以及普通大眾)對壹些“貌似”的超光速物理現象特別感興趣。
超光速存在嗎？
2000年7月，英國雜誌Nature (2000，406: 277)發表了壹篇關於超光速實驗的論文，引起了人們對超光速是否真的存在的討論。事實上，科學家們早就在研究如何使光脈沖的群速度在介質中的真空中超過光速C，而《自然》雜誌報道的這個實驗就實現了這壹想法。但這並不是人們想象的所謂超光速違反因果律(或相對論)。為了說明這個問題，我們來看看中國科學家王立軍做的這個實驗。
光脈沖是由不同頻率、振幅和相位的光波組成的波包。光脈沖各分量的速度稱為相速度，波包峰值的速度稱為群速度。在真空中，它們是相同的，但是在介質中，我們知道，有以下的群速度和介質。
折射率的關系:
vg = c / ng，ng = n + ω(dn/dω)
顯然，在某些情況下(比如壹種反常色散很強的介質)，可以出現負的群速度。此時，光脈沖在介質中的傳播時間比在真空中的傳播時間短，當差值δ t = (L/V)-(L/C)達到壹個絕對值時，可以觀察到“超光速”現象，即“在光脈沖峰進入介質之前，另壹側已經有壹個脈沖峰”(。
那麽這個超光速是否違反因果率呢？我們仔細考察王的實驗，會發現出射光脈沖出現在入射脈沖的峰值進入介質之前，而入射脈沖的前沿在此之前已經進入介質(如圖所示)，所以出射脈沖可以看作是入射脈沖前沿與介質的相互作用。其實王實驗的意義在於實現了負群速的可觀測現象，而不是發現了媒體炒作的什麽“超光速”。負群速在這裏不能理解為光速，也不是能量傳遞的速度。當然，這個實驗本身就說明我們人類對光的認識又前進了壹步。僅僅用折射率與群速度關系的公式來解釋這個實驗是遠遠不夠的，它包含了量子幹涉的效應，涉及到對光的本質的理解。揭開超光速實驗的面紗仍然是科學家們的目標。
了解這個實驗後，很多人會想，這種超光速效應是否可以用來傳遞信息。在王的實驗中，超光速脈沖不能攜帶有用的信息，所以談不上信息的超光速傳輸，同樣能量的超光速傳輸也是不可能的。
和超光速實驗有同樣轟動效應的是另壹種超光速現象。
量子隱形傳態就是量子超空間傳輸(或量子隱形傳態)。這壹奇妙現象因其與量子信息傳輸和量子計算機實現的緊密聯系而引起人們的關註。所謂超空間，就是量子態的傳輸不是在我們通常的空間中進行，所以不會受到光速極限的限制，量子態會從A地瞬間傳輸到B地(實際上是A地粒子的量子態信息被提取出來，瞬間復制到B地粒子上)。這種量子信息的傳遞不需要時間，真的是超光速(也可以理解為距離的作用)。在量子超空間傳輸過程中，粒子A和B通過量子糾纏態關聯，量子態通過量子測量確定。所以當探測到粒子A的量子態時，粒子A和粒子B瞬間坍縮到各自的本征態，然後粒子B的態包含了粒子A的信息..這種信息傳遞是“超光速”的。
但是，如果壹個觀察者想馬上知道傳輸的信息是什麽，那是不可能的，因為粒子B此時還處於量子疊加態，對它的測量得不到完整的信息。我們必須知道對質點A進行了什麽測量，所以我們必須通過現實的信息傳遞方式(如電話、網絡)告訴此時質點A的測量者。最終，我們無法獲得比光速更快的信息！量子超空間傳輸的實驗已經在1997年實現(見Nature，390，575.38+0997)。
目前，上述兩種超光速方案僅處於理論探討和實驗階段，離實用化還相差甚遠。而且這兩個問題都涉及物理的本質，實驗現象及其解釋都在爭論之中。
相對論問答——超光速
人們對超光速感興趣，壹般是指能量或信息的超光速傳輸。根據狹義相對論，這種意義上的超光速旅行和超光速通信壹般是不可能的。目前關於超光速的爭論大多是，有些東西的速度確實可以超過光速，但不能用來傳遞能量或信息。但是現有的理論並沒有完全排除真正意義上的超光速的可能性。
先討論第壹種情況:不是真正意義上的超光速。
1.切倫科夫效應
光速在介質中比在真空中慢。粒子在介質中的傳播速度可能超過光速。在這種情況下，會發生輻射，這就是切倫科夫效應。這不是真正意義上的超光速，真正意義上的超光速是指在真空中超過光速。
2.第三個觀察者
如果A以相對於C 0.6c的速度向東移動，B以相對於C 0.6c的速度向西移動..對於C，A和B之間的距離以1.2c的速度增加，這個“速度”——兩個運動物體相對於第三個觀察者的速度——可以超過光速。但是兩個物體相對運動的速度不會超過光速。在這個例子中，在A的坐標系中，B的速度是0.88c。在B的坐標系中，A的速度也是0.88c。
3.陰影和斑點
在燈下搖手，妳會發現影子比手快。陰影和手抖的速度之比等於它們到燈的距離之比。如果對著月亮晃動手電筒，很容易讓落在月亮上的光點以超過光速的速度移動。不幸的是，信息不能以這種方式比光更快地傳播。
4.剛體
敲壹根棍子的壹端，震動會立刻傳到另壹端嗎？這不就提供了壹種超光速通訊的方式嗎？不幸的是，理想剛體並不存在。振動以音速在棒子中傳播，最終是電磁作用的結果，不可能超過光速。壹個有趣的問題是，當妳垂直握住壹根棍子的上端，突然松開，是棍子的上端先開始下落還是棍子的下端先開始下落？答案是上端。)
5.相速度
光在介質中的相速在某些頻段可以超過真空中的光速。相速度是指壹個連續的正弦波(假設信號傳播了很長時間，達到穩定狀態)在介質中傳播壹定距離後，其相位滯後所對應的“傳播速度”。顯然，簡單的正弦波是無法傳遞信息的。為了傳輸信息，需要將慢變波包調制在正弦波上。這種波包的傳播速度稱為群速度，小於光速。(譯者註:索末菲和布裏淵對脈沖在介質中傳播的研究證明，壹個起始時間為[某壹時刻之前為0的信號]在介質中的傳播速度不能超過光速。)
6.超光速星系
星系向我們移動的表觀速度可能超過光速。這是壹種錯覺，因為從星系到我們的時間減少是沒有修正的。
比如我們測量壹個離我們10光年的星系，它的運動速度是2/3 C。
現在，測得的距離是30光年，因為當時它發出的光到達時，星系剛好到達10光年；
3年後，星系達到8光年時，視距離是8光年的3倍，即24光年。
結果，在三年裏，表觀距離減少了6光年...
7.相對論火箭
地球上的人看到火箭以0.8c的速度遠離，火箭上的時鐘比地球上的慢，是地球時鐘的0.6倍。如果用火箭行進的距離除以在火箭上的時間，就會得到4/3 C的“速度”，因此，火箭上的人是以“相當於”超光速的速度在運動。對於火箭上的人來說，時間並沒有變慢，只是星系之間的距離縮小到了0.6倍，所以他們也感覺自己在以相當於4/3 C的速度運動，這裏的問題是，壹個坐標系中的距離除以另壹個坐標系中的時間得到的數字並不是真實的速度。
8.重力傳播的速度
有些人認為重力傳播速度比光速快。實際上，重力以光速傳播。
9.EPR悖論
1935年，愛因斯坦、波多爾斯基、羅森發表了壹個思想實驗，展示了量子力學的不完全性。他們認為在測量兩個處於糾纏態的分離粒子時，存在明顯的距離效應。Ebhard證明了不可能利用這種效應傳遞任何信息，所以超光速通信是不存在的。但是關於EPR悖論還是有爭議的。
10.虛擬粒子
在量子場論中，力是通過虛粒子傳遞的。由於海森堡的不確定性，這些虛粒子可以以超光速旅行，但它們只是數學符號，超光速旅行或通信仍然不存在。
11.量子隧穿
量子隧穿是粒子逃離高於自身能量的勢壘的效應，這在經典物理中是不可能發生的。計算粒子穿過隧道的時間，妳會發現粒子的速度超過了光速。
參考文獻:T. E .哈特曼，應用物理學雜誌，33，3427 (1962)
壹群物理學家利用量子隧道效應做了超光速通信的實驗:他們聲稱莫紮特的第四十交響曲以4.7c的速度通過壹個寬度為11.4cm的屏障進行傳輸，當然這已經引起了很大的爭議。大多數物理學家認為，由於海森堡的不確定性，不可能利用這種量子效應比光更快地傳輸信息。如果這種效應成立，就有可能在高速運動的坐標系中，用類似的裝置將信息傳送到過去。
Ref: W. Heitmann和G. Nimtz，Phys列特A196，154(1994)；A. Enders和G. Nimtz，Phys Rev E48，632 (1993)
陶哲軒認為，上述實驗並不令人信服。信號以光速通過11.4cm的距離只需要不到0.4納秒，但只要簡單外推就能預測出1000納秒的聲波信號。因此，需要進行更遠距離的超光速通信或高頻隨機信號的實驗。
12哈塞米效應
當兩塊不帶電的導體板之間的距離非常近時，它們之間會產生壹個非常微弱但仍可測量的力，這就是卡西米效應。卡西米爾效應是由真空能量引起的。沙恩霍斯特的計算表明，光子在兩塊金屬板之間橫向移動的速度壹定略高於光速(對於壹納米的間隙，這個速度比光速高10-24)。在某些宇宙學條件下(比如在cosmicstring附近[如果存在])，這種效應會顯著得多。但是，進壹步的理論研究表明，利用這種效應進行超光速通信是不可能的。
參考:k .沙恩霍斯特，物理學快報B236，354 (1990) S .本-梅納海姆，物理學快報B250，133 (1990)。進階學習)。IAS SNS-AST-90-25 Barton & amp；沙恩霍斯特，物理雜誌A26，2037 (1993)
13.宇宙膨脹
哈勃定理說:距離為d的星系以HD的速度分離。h是壹個獨立於星系的常數，叫做哈勃常數。足夠遠的星系可能會以超過光速的速度相互分離，但這是相對於第三個觀察者的分離速度。
14.月球以超光速繞著我轉！
當月亮在地平線上時，假設我們以每秒半周的速度繞圈，因為月亮離我們385000公裏，月亮外觀對我們的自轉速度是每秒1，21，000公裏，大約是光速的4倍！這聽起來很荒謬，因為我們實際上是在旋轉，但我們卻說月亮圍繞著我們轉。但根據廣義相對論，任何坐標系，包括旋轉坐標系都可以。這不就是月球在以超光速運動嗎？
問題是在廣義相對論中，不同地方的速度是不能直接比較的。月球的速度只能和它所在的局部慣性系中的其他物體相比較。事實上，速度的概念在廣義相對論中並沒有太大用處，在廣義相對論中很難定義什麽是“超光速”。在廣義相對論中，連“光速不變”都需要解釋。愛因斯坦本人在《相對論》第76頁說過:狹義和廣義理論“光速不變”並不總是正確的。在時間和距離沒有絕對定義的情況下，如何確定速度就不是那麽清晰了。
盡管如此，現代物理學認為廣義相對論中的光速仍然是恒定的。當距離和時間單位被光速聯系在壹起時，光速是不變的，被定義為壹個不證自明的公理。在前面的例子中，月球的速度仍然小於光速，因為在任何時刻，它都在當前位置的未來光錐內。
15.明確超光速的定義。
第壹部分列舉的“超光速”的似是而非的例子，說明了定義“超光速”的難度。影子和光點壹樣的“超光速”不是真正的超光速，那麽什麽才是真正的超光速呢？
“世界線”是相對論中的壹個重要概念，我們可以借助“世界線”給出“超光速”的明確定義。
什麽是“世界線”？我們知道所有的物體都是由粒子組成的。如果我們可以描述粒子在任何時刻的位置，我們就描述了物體的整個“歷史”。想象壹個四維空間，由三維空間和壹維時間組成。因為壹個粒子在任何時候都只能處於壹個特定的位置，它的整個“歷史”在這個四維空間中就是壹條連續的曲線，這就是“世界線”。壹個物體的世界線是組成它的所有粒子的世界線的集合。
不僅粒子的歷史可以構成世界線，壹些人為定義的“東西”的歷史也可以構成世界線，比如陰影和斑點。陰影可以通過其邊界上的點來定義。這些點不是真實的粒子，但它們的位置是可以移動的，所以它們的“歷史”也構成了世界線。
四維時空中的壹個點代表壹個“事件”，即三個空間坐標加壹個時間坐標。時空距離可以定義為任意兩個“事件”之間的距離，即兩個事件之間的空間距離的平方減去它們的時間間隔與光速的乘積的平方然後開根號。狹義相對論證明這個時空距離與坐標系無關，所以有物理意義。
時空距離可分為三類:類時距離:空間間隔小於時間間隔與光速的乘積；類空距離:空間間隔等於時間間隔和光速的乘積；空間間隔大於時間間隔和光速的乘積。
接下來，我們需要引入“局部”的概念。從局部來看，平滑的曲線非常類似於直線。同樣，四維時空在局部是平坦的，世界線在局部類似於壹條直線，也就是說可以用勻速運動來描述，勻速運動就是粒子的瞬時速度。
在光子的世界線上，相鄰事件之間的距離在局部上是類光的。在這個意義上，我們可以說光子的世界線是類光的。
任何以低於光速的速度運動的粒子的世界線，在局部上，相鄰事件之間的距離是類時的。在這個意義上，我們可以說這個世界線是共時的。
但是，壹個運動速度超過光速的粒子或人為定義的“點”的世界線是空的。我們說世界線是類空的，是指相鄰事件之間的時空距離在局部上是類空的。
因為可能存在彎曲的時空，所以可能存在這樣的世界線:在局部，相鄰事件之間的距離是類時的，粒子的運動速度不會超過光速；但是有兩個事件相隔很遠，它們的時空距離是類空間的。這種情況算超光速嗎？
這個問題的意義在於，既可以定義局部超光速，也可以定義全局超光速。就算局部超光速不可能，也不排除全局超光速的可能。全球超光速也值得討論。
總之，“超光速”可以用類空世界線來定義，這樣做的好處是排除了兩個物體相對於第三個觀察者以超光速運動的情況。
我們來考慮壹下，我們要以超光速傳輸什麽“東西”。主要目的是排除“陰影”“光點”等無用的東西。粒子、能量、電荷、自旋、信息都是我們要傳遞的。壹個問題是:我們怎麽知道傳輸的東西是不是原來的東西？這個問題比較好處理。對於壹個粒子，我們觀察它的世界線。如果世界線是連續的，沒有其他粒子從這個粒子中分離出來，我們壹般可以認為這個粒子還是原來的粒子。
顯然，傳輸整個對象在技術上比傳輸信息困難得多。現在我們可以毫無困難地以光速傳遞信息。本質上，我們只是把信息放到光子的時間序列中，再從光子的時間序列中獲取人類可讀的信息，而光子的速度自然就是光速。
同樣，如果超光速粒子(理論上預言的超光速粒子)真的存在，我們只需要找到壹種可以控制其產生和發射方向的技術，就可以實現超光速通信。
極有可能不同粒子的傳播成本差異極大，比較經濟的方式是采用復制技術。如果我們可以獲得壹個物體的所有信息，並且我們已經掌握了從這些信息中復制原物體的技術，那麽超光速通信就相當於超光速旅行。
科幻小說早就有這種想法了，它叫瞬移。簡單來說，就是把壹個人像傳真壹樣復制到那裏，然後在這裏把原件銷毀，相當於把這個人傳了過去。問題當然是，像人類這樣有意識的復雜物體是否可以被復制。
16.無限能量
E = mc^2/sqrt(1 - v^2/c^2)
上面的公式是壹個靜止質量為m的質點以v的速度運動的能量。
顯然，速度越高，能量越大。所以要加速粒子，必須對其做功，做功等於粒子能量的增加。
註意，當V接近C時，能量趨於無窮大，所以不可能以通常的加速方式，更不用說超光速，使粒子達到光速。
但這並不排除用其他方式讓粒子超光速的可能。
粒子可以衰變為其他粒子，包括以光速運動的光子(光子的靜止質量為零，所以雖然以光速運動，但其能量可以是有限的，上述公式對光子無效)。衰變過程的細節是經典物理無法描述的，所以不能否認通過衰變產生超光速粒子的可能性。)。
另壹種可能是速度永遠高於光速。既然有永遠以光速運動的光子，有永遠以低於光速運動的粒子，為什麽不能有永遠以高於光速運動的粒子？
問題是，如果在上面的公式中，v & gtc，要麽能量是虛數，要麽質量是虛數。如果存在這樣的粒子，虛數的能量和質量有物理意義嗎？如何解釋它們的含義？妳能做出可觀察的預測嗎？
只要找到這種粒子存在的證據，找到檢測這種粒子的方法，找到偏轉這種粒子運動的方法，就可以實現超光速通信。
量子場論。
到目前為止，除了重力之外的所有物理現象都符合粒子物理的標準模型。標準模型是相對論量子場論，可以描述電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用三種基本相互作用，以及所有觀測到的粒子。根據這壹理論，對應於在具有類似空間的距離的事件上所做的兩個物理觀察的任何算子都是可交換的(對應於由類似空間的區間公社所分開的時空事件上的物理觀察的任何壹對算子)。原則上，這意味著任何運動都不能超過光速。
然而，沒有人能證明標準模型是自洽的。很有可能它實際上並不自洽。無論如何，它不能保證未來不會發現它無法描述的粒子或相互作用。沒有人把它擴展到包括廣義相對論和引力。很多研究量子引力的人都懷疑，這麽簡單的壹個關於因果性和定域性的陳述，是否可以這樣概括。總之，在未來更完善的理論中，無法保證光速仍然是速度的上限。
18.祖父悖論(因果關系)
也許反對超光速的最好證據是祖父悖論。根據狹義相對論，在壹個參照系中運動速度超過光速的粒子，可能在另壹個坐標系中回到過去。因此，超光速旅行和超光速通信也意味著回到過去或向過去傳遞信息。如果時間旅行是可能的，妳可以回到過去，殺死妳自己的祖父。這是對超光速的有力駁斥。但也不能排除我們可能超越光速旅行卻回不到過去的可能性。另壹種可能性是，當我們的旅行速度超過光速時，因果關系會以某種壹致的方式被破壞。
總之，時間旅行和超光速旅行並不完全相同，而是有聯系的。如果我們能回到過去，我們也能以超過光速的速度旅行。
第三部分:未確定超光速的可能性。
19.超光速粒子
超光速粒子是理論上預測的粒子。它有壹個超過光速的局部速度(瞬時速度)。它的質量是虛的，但它的能量和動量是實的。有人認為這種粒子是探測不到的，其實不壹定。陰影和光點的例子表明，超過光速的東西也可以被觀察到。
目前還沒有超光速粒子存在的實驗證據，大多數人都懷疑它的存在。有人聲稱，在測量氚β衰變釋放的中微子質量的實驗中，有證據表明這些中微子是快子。這個值得懷疑，但也不能完全排除這種可能性。
快子理論的問題在於它違背了因果關系，而且快子的存在使得真空不穩定。後者理論上是可以避免的，但那樣我們就無法實現我們想要的超光速通信。
事實上，大多數物理學家認為超光速粒子是場論病態行為的表現，大眾對超光速粒子的興趣大多是因為它們在科幻作品中多次出現。
20.蟲孔
壹個關於全球超光速旅行的著名建議是使用蟲洞。蟲洞是連接彎曲時空兩地的捷徑。通過蟲洞從壹個地方旅行到另壹個地方比光沿著正常路徑從壹個地方旅行到另壹個地方需要更少的時間。蟲洞是經典廣義相對論的推論，但創造蟲洞需要改變時空的拓撲結構。這在量子引力理論中是可能的。
打開蟲洞需要壹個負能量區域，米斯納和索恩建議利用卡西米爾效應大規模產生壹個負能量區域。Visser建議使用宇宙弦。這些建議近乎不切實際的夢想。負能量的奇怪物質，可能根本不會以它們所要求的形式存在。
索恩發現，如果能制造出蟲洞，就可以用來在時空中構建封閉的類時邊界，從而實現時間旅行。有人認為可以用量子力學多重性的解釋來消除因果悖論，即如果回到過去，歷史會以不同的方式發生。
霍金認為蟲洞是不穩定的，因此毫無用處。但蟲洞仍然是思想實驗的壹個富有成果的領域，可以用來澄清在已知和建議的物理定律下什麽是可能的，什麽是不可能的。
參考文獻:W. G. Morris和K. S. Thorne，美國物理學雜誌56，395-412(1988 ), w . g . Morris，K. S. Thorne和U. Yurtsever，物理評論快報61，1446-9(1988)Matt Visser，物理評論D39，3182-4關於多元宇宙的解釋，請看《現實的結構》，大衛·多伊奇，企鵝出版社。
21.曲速驅動
曲相推進是指以特定的方式彎曲時空，從而使物體的運動速度超過光速。米給爾·阿庫別瑞以提出壹種可以實現彎曲相位推進的時空幾何結構而聞名。時空的彎曲使物體能夠以超光速旅行，同時保持在壹條類似時間的世界線上。和蟲洞壹樣，曲相推進也需要負能量密度的奇怪物質。即使這種物質存在，也不清楚如何排列這些物質實現彎相推進。
對時光倒流的理解
所謂“時間反轉”，就是光的多普勒效應。不是“時間”倒退，而是世界“倒退”的感覺。可以和聲音相比，都是波粒二象性。多普勒效應基本上是由於波的絕對傳播速度，只與介質有關，與聲源和接收物體的運動無關。換句話說，波的傳播應該以介質為參照系。突破光速障礙時會出現“光障”(類似於“音障”)也不是不可能，可以和超音速飛行相提並論。
(轉彎)