超光速将会怎样？
超光速(FTL或超光速)将成为讨论的话题，这源于相对论中局部物体在真空中不能超过光速C的推论限制，光速在很多情况下成为了速度的上限。在此之前的牛顿力学并没有限制超光速。在相对论中，运动的速度与物体的其他属性密切相关，比如它的质量，甚至是它在参照系中的时间流逝。如果一个速度低于光速的物体(在真空中)想要加速到光速，它的质量会增加到无穷大从而需要无限的能量，它感觉到的时间流逝甚至会停止(如果超过光速，会有一个“时光倒流”)，所以理论上不可能达到或超过光速(至于光子，是因为它们一直在)。但这也让物理学家(以及普通大众)对一些“貌似”的超光速物理现象特别感兴趣。
超光速存在吗？
2000年7月，英国杂志Nature (2000，406: 277)发表了一篇关于超光速实验的论文，引起了人们对超光速是否真的存在的讨论。事实上，科学家们早就在研究如何使光脉冲的群速度在介质中的真空中超过光速C，而《自然》杂志报道的这个实验就实现了这一想法。但这并不是人们想象的所谓超光速违反因果律(或相对论)。为了说明这个问题，我们来看看中国科学家王立军做的这个实验。
光脉冲是由不同频率、振幅和相位的光波组成的波包。光脉冲各分量的速度称为相速度，波包峰值的速度称为群速度。在真空中，它们是相同的，但是在介质中，我们知道，有以下的群速度和介质。
折射率的关系:
vg = c / ng，ng = n + ω(dn/dω)
显然，在某些情况下(比如一种反常色散很强的介质)，可以出现负的群速度。此时，光脉冲在介质中的传播时间比在真空中的传播时间短，当差值δ t = (L/V)-(L/C)达到一个绝对值时，可以观察到“超光速”现象，即“在光脉冲峰进入介质之前，另一侧已经有一个脉冲峰”(。
那么这个超光速是否违反因果率呢？我们仔细考察王的实验，会发现出射光脉冲出现在入射脉冲的峰值进入介质之前，而入射脉冲的前沿在此之前已经进入介质(如图所示)，所以出射脉冲可以看作是入射脉冲前沿与介质的相互作用。其实王实验的意义在于实现了负群速的可观测现象，而不是发现了媒体炒作的什么“超光速”。负群速在这里不能理解为光速，也不是能量传递的速度。当然，这个实验本身就说明我们人类对光的认识又前进了一步。仅仅用折射率与群速度关系的公式来解释这个实验是远远不够的，它包含了量子干涉的效应，涉及到对光的本质的理解。揭开超光速实验的面纱仍然是科学家们的目标。
了解这个实验后，很多人会想，这种超光速效应是否可以用来传递信息。在王的实验中，超光速脉冲不能携带有用的信息，所以谈不上信息的超光速传输，同样能量的超光速传输也是不可能的。
和超光速实验有同样轰动效应的是另一种超光速现象。
量子隐形传态就是量子超空间传输(或量子隐形传态)。这一奇妙现象因其与量子信息传输和量子计算机实现的紧密联系而引起人们的关注。所谓超空间，就是量子态的传输不是在我们通常的空间中进行，所以不会受到光速极限的限制，量子态会从A地瞬间传输到B地(实际上是A地粒子的量子态信息被提取出来，瞬间复制到B地粒子上)。这种量子信息的传递不需要时间，真的是超光速(也可以理解为距离的作用)。在量子超空间传输过程中，粒子A和B通过量子纠缠态关联，量子态通过量子测量确定。所以当探测到粒子A的量子态时，粒子A和粒子B瞬间坍缩到各自的本征态，然后粒子B的态包含了粒子A的信息..这种信息传递是“超光速”的。
但是，如果一个观察者想马上知道传输的信息是什么，那是不可能的，因为粒子B此时还处于量子叠加态，对它的测量得不到完整的信息。我们必须知道对质点A进行了什么测量，所以我们必须通过现实的信息传递方式(如电话、网络)告诉此时质点A的测量者。最终，我们无法获得比光速更快的信息！量子超空间传输的实验已经在1997年实现(见Nature，390，575.38+0997)。
目前，上述两种超光速方案仅处于理论探讨和实验阶段，离实用化还相差甚远。而且这两个问题都涉及物理的本质，实验现象及其解释都在争论之中。
相对论问答——超光速
人们对超光速感兴趣，一般是指能量或信息的超光速传输。根据狭义相对论，这种意义上的超光速旅行和超光速通信一般是不可能的。目前关于超光速的争论大多是，有些东西的速度确实可以超过光速，但不能用来传递能量或信息。但是现有的理论并没有完全排除真正意义上的超光速的可能性。
先讨论第一种情况:不是真正意义上的超光速。
1.切伦科夫效应
光速在介质中比在真空中慢。粒子在介质中的传播速度可能超过光速。在这种情况下，会发生辐射，这就是切伦科夫效应。这不是真正意义上的超光速，真正意义上的超光速是指在真空中超过光速。
2.第三个观察者
如果A以相对于C 0.6c的速度向东移动，B以相对于C 0.6c的速度向西移动..对于C，A和B之间的距离以1.2c的速度增加，这个“速度”——两个运动物体相对于第三个观察者的速度——可以超过光速。但是两个物体相对运动的速度不会超过光速。在这个例子中，在A的坐标系中，B的速度是0.88c。在B的坐标系中，A的速度也是0.88c。
3.阴影和斑点
在灯下摇手，你会发现影子比手快。阴影和手抖的速度之比等于它们到灯的距离之比。如果对着月亮晃动手电筒，很容易让落在月亮上的光点以超过光速的速度移动。不幸的是，信息不能以这种方式比光更快地传播。
4.刚体
敲一根棍子的一端，震动会立刻传到另一端吗？这不就提供了一种超光速通讯的方式吗？不幸的是，理想刚体并不存在。振动以音速在棒子中传播，最终是电磁作用的结果，不可能超过光速。一个有趣的问题是，当你垂直握住一根棍子的上端，突然松开，是棍子的上端先开始下落还是棍子的下端先开始下落？答案是上端。)
5.相速度
光在介质中的相速在某些频段可以超过真空中的光速。相速度是指一个连续的正弦波(假设信号传播了很长时间，达到稳定状态)在介质中传播一定距离后，其相位滞后所对应的“传播速度”。显然，简单的正弦波是无法传递信息的。为了传输信息，需要将慢变波包调制在正弦波上。这种波包的传播速度称为群速度，小于光速。(译者注:索末菲和布里渊对脉冲在介质中传播的研究证明，一个起始时间为[某一时刻之前为0的信号]在介质中的传播速度不能超过光速。)
6.超光速星系
星系向我们移动的表观速度可能超过光速。这是一种错觉，因为从星系到我们的时间减少是没有修正的。
比如我们测量一个离我们10光年的星系，它的运动速度是2/3 C。
现在，测得的距离是30光年，因为当时它发出的光到达时，星系刚好到达10光年；
3年后，星系达到8光年时，视距离是8光年的3倍，即24光年。
结果，在三年里，表观距离减少了6光年...
7.相对论火箭
地球上的人看到火箭以0.8c的速度远离，火箭上的时钟比地球上的慢，是地球时钟的0.6倍。如果用火箭行进的距离除以在火箭上的时间，就会得到4/3 C的“速度”，因此，火箭上的人是以“相当于”超光速的速度在运动。对于火箭上的人来说，时间并没有变慢，只是星系之间的距离缩小到了0.6倍，所以他们也感觉自己在以相当于4/3 C的速度运动，这里的问题是，一个坐标系中的距离除以另一个坐标系中的时间得到的数字并不是真实的速度。
8.重力传播的速度
有些人认为重力传播速度比光速快。实际上，重力以光速传播。
9.EPR悖论
1935年，爱因斯坦、波多尔斯基、罗森发表了一个思想实验，展示了量子力学的不完全性。他们认为在测量两个处于纠缠态的分离粒子时，存在明显的距离效应。Ebhard证明了不可能利用这种效应传递任何信息，所以超光速通信是不存在的。但是关于EPR悖论还是有争议的。
10.虚拟粒子
在量子场论中，力是通过虚粒子传递的。由于海森堡的不确定性，这些虚粒子可以以超光速旅行，但它们只是数学符号，超光速旅行或通信仍然不存在。
11.量子隧穿
量子隧穿是粒子逃离高于自身能量的势垒的效应，这在经典物理中是不可能发生的。计算粒子穿过隧道的时间，你会发现粒子的速度超过了光速。
参考文献:T. E .哈特曼，应用物理学杂志，33，3427 (1962)
一群物理学家利用量子隧道效应做了超光速通信的实验:他们声称莫扎特的第四十交响曲以4.7c的速度通过一个宽度为11.4cm的屏障进行传输，当然这已经引起了很大的争议。大多数物理学家认为，由于海森堡的不确定性，不可能利用这种量子效应比光更快地传输信息。如果这种效应成立，就有可能在高速运动的坐标系中，用类似的装置将信息传送到过去。
Ref: W. Heitmann和G. Nimtz，Phys列特A196，154(1994)；A. Enders和G. Nimtz，Phys Rev E48，632 (1993)
陶哲轩认为，上述实验并不令人信服。信号以光速通过11.4cm的距离只需要不到0.4纳秒，但只要简单外推就能预测出1000纳秒的声波信号。因此，需要进行更远距离的超光速通信或高频随机信号的实验。
12哈塞米效应
当两块不带电的导体板之间的距离非常近时，它们之间会产生一个非常微弱但仍可测量的力，这就是卡西米效应。卡西米尔效应是由真空能量引起的。沙恩霍斯特的计算表明，光子在两块金属板之间横向移动的速度一定略高于光速(对于一纳米的间隙，这个速度比光速高10-24)。在某些宇宙学条件下(比如在cosmicstring附近[如果存在])，这种效应会显著得多。但是，进一步的理论研究表明，利用这种效应进行超光速通信是不可能的。
参考:k .沙恩霍斯特，物理学快报B236，354 (1990) S .本-梅纳海姆，物理学快报B250，133 (1990)。进阶学习)。IAS SNS-AST-90-25 Barton & amp；沙恩霍斯特，物理杂志A26，2037 (1993)
13.宇宙膨胀
哈勃定理说:距离为d的星系以HD的速度分离。h是一个独立于星系的常数，叫做哈勃常数。足够远的星系可能会以超过光速的速度相互分离，但这是相对于第三个观察者的分离速度。
14.月球以超光速绕着我转！
当月亮在地平线上时，假设我们以每秒半周的速度绕圈，因为月亮离我们385000公里，月亮外观对我们的自转速度是每秒1，21，000公里，大约是光速的4倍！这听起来很荒谬，因为我们实际上是在旋转，但我们却说月亮围绕着我们转。但根据广义相对论，任何坐标系，包括旋转坐标系都可以。这不就是月球在以超光速运动吗？
问题是在广义相对论中，不同地方的速度是不能直接比较的。月球的速度只能和它所在的局部惯性系中的其他物体相比较。事实上，速度的概念在广义相对论中并没有太大用处，在广义相对论中很难定义什么是“超光速”。在广义相对论中，连“光速不变”都需要解释。爱因斯坦本人在《相对论》第76页说过:狭义和广义理论“光速不变”并不总是正确的。在时间和距离没有绝对定义的情况下，如何确定速度就不是那么清晰了。
尽管如此，现代物理学认为广义相对论中的光速仍然是恒定的。当距离和时间单位被光速联系在一起时，光速是不变的，被定义为一个不证自明的公理。在前面的例子中，月球的速度仍然小于光速，因为在任何时刻，它都在当前位置的未来光锥内。
15.明确超光速的定义。
第一部分列举的“超光速”的似是而非的例子，说明了定义“超光速”的难度。影子和光点一样的“超光速”不是真正的超光速，那么什么才是真正的超光速呢？
“世界线”是相对论中的一个重要概念，我们可以借助“世界线”给出“超光速”的明确定义。
什么是“世界线”？我们知道所有的物体都是由粒子组成的。如果我们可以描述粒子在任何时刻的位置，我们就描述了物体的整个“历史”。想象一个四维空间，由三维空间和一维时间组成。因为一个粒子在任何时候都只能处于一个特定的位置，它的整个“历史”在这个四维空间中就是一条连续的曲线，这就是“世界线”。一个物体的世界线是组成它的所有粒子的世界线的集合。
不仅粒子的历史可以构成世界线，一些人为定义的“东西”的历史也可以构成世界线，比如阴影和斑点。阴影可以通过其边界上的点来定义。这些点不是真实的粒子，但它们的位置是可以移动的，所以它们的“历史”也构成了世界线。
四维时空中的一个点代表一个“事件”，即三个空间坐标加一个时间坐标。时空距离可以定义为任意两个“事件”之间的距离，即两个事件之间的空间距离的平方减去它们的时间间隔与光速的乘积的平方然后开根号。狭义相对论证明这个时空距离与坐标系无关，所以有物理意义。
时空距离可分为三类:类时距离:空间间隔小于时间间隔与光速的乘积；类空距离:空间间隔等于时间间隔和光速的乘积；空间间隔大于时间间隔和光速的乘积。
接下来，我们需要引入“局部”的概念。从局部来看，平滑的曲线非常类似于直线。同样，四维时空在局部是平坦的，世界线在局部类似于一条直线，也就是说可以用匀速运动来描述，匀速运动就是粒子的瞬时速度。
在光子的世界线上，相邻事件之间的距离在局部上是类光的。在这个意义上，我们可以说光子的世界线是类光的。
任何以低于光速的速度运动的粒子的世界线，在局部上，相邻事件之间的距离是类时的。在这个意义上，我们可以说这个世界线是共时的。
但是，一个运动速度超过光速的粒子或人为定义的“点”的世界线是空的。我们说世界线是类空的，是指相邻事件之间的时空距离在局部上是类空的。
因为可能存在弯曲的时空，所以可能存在这样的世界线:在局部，相邻事件之间的距离是类时的，粒子的运动速度不会超过光速；但是有两个事件相隔很远，它们的时空距离是类空间的。这种情况算超光速吗？
这个问题的意义在于，既可以定义局部超光速，也可以定义全局超光速。就算局部超光速不可能，也不排除全局超光速的可能。全球超光速也值得讨论。
总之，“超光速”可以用类空世界线来定义，这样做的好处是排除了两个物体相对于第三个观察者以超光速运动的情况。
我们来考虑一下，我们要以超光速传输什么“东西”。主要目的是排除“阴影”“光点”等无用的东西。粒子、能量、电荷、自旋、信息都是我们要传递的。一个问题是:我们怎么知道传输的东西是不是原来的东西？这个问题比较好处理。对于一个粒子，我们观察它的世界线。如果世界线是连续的，没有其他粒子从这个粒子中分离出来，我们一般可以认为这个粒子还是原来的粒子。
显然，传输整个对象在技术上比传输信息困难得多。现在我们可以毫无困难地以光速传递信息。本质上，我们只是把信息放到光子的时间序列中，再从光子的时间序列中获取人类可读的信息，而光子的速度自然就是光速。
同样，如果超光速粒子(理论上预言的超光速粒子)真的存在，我们只需要找到一种可以控制其产生和发射方向的技术，就可以实现超光速通信。
极有可能不同粒子的传播成本差异极大，比较经济的方式是采用复制技术。如果我们可以获得一个物体的所有信息，并且我们已经掌握了从这些信息中复制原物体的技术，那么超光速通信就相当于超光速旅行。
科幻小说早就有这种想法了，它叫瞬移。简单来说，就是把一个人像传真一样复制到那里，然后在这里把原件销毁，相当于把这个人传了过去。问题当然是，像人类这样有意识的复杂物体是否可以被复制。
16.无限能量
E = mc^2/sqrt(1 - v^2/c^2)
上面的公式是一个静止质量为m的质点以v的速度运动的能量。
显然，速度越高，能量越大。所以要加速粒子，必须对其做功，做功等于粒子能量的增加。
注意，当V接近C时，能量趋于无穷大，所以不可能以通常的加速方式，更不用说超光速，使粒子达到光速。
但这并不排除用其他方式让粒子超光速的可能。
粒子可以衰变为其他粒子，包括以光速运动的光子(光子的静止质量为零，所以虽然以光速运动，但其能量可以是有限的，上述公式对光子无效)。衰变过程的细节是经典物理无法描述的，所以不能否认通过衰变产生超光速粒子的可能性。)。
另一种可能是速度永远高于光速。既然有永远以光速运动的光子，有永远以低于光速运动的粒子，为什么不能有永远以高于光速运动的粒子？
问题是，如果在上面的公式中，v & gtc，要么能量是虚数，要么质量是虚数。如果存在这样的粒子，虚数的能量和质量有物理意义吗？如何解释它们的含义？你能做出可观察的预测吗？
只要找到这种粒子存在的证据，找到检测这种粒子的方法，找到偏转这种粒子运动的方法，就可以实现超光速通信。
量子场论。
到目前为止，除了重力之外的所有物理现象都符合粒子物理的标准模型。标准模型是相对论量子场论，可以描述电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用三种基本相互作用，以及所有观测到的粒子。根据这一理论，对应于在具有类似空间的距离的事件上所做的两个物理观察的任何算子都是可交换的(对应于由类似空间的区间公社所分开的时空事件上的物理观察的任何一对算子)。原则上，这意味着任何运动都不能超过光速。
然而，没有人能证明标准模型是自洽的。很有可能它实际上并不自洽。无论如何，它不能保证未来不会发现它无法描述的粒子或相互作用。没有人把它扩展到包括广义相对论和引力。很多研究量子引力的人都怀疑，这么简单的一个关于因果性和定域性的陈述，是否可以这样概括。总之，在未来更完善的理论中，无法保证光速仍然是速度的上限。
18.祖父悖论(因果关系)
也许反对超光速的最好证据是祖父悖论。根据狭义相对论，在一个参照系中运动速度超过光速的粒子，可能在另一个坐标系中回到过去。因此，超光速旅行和超光速通信也意味着回到过去或向过去传递信息。如果时间旅行是可能的，你可以回到过去，杀死你自己的祖父。这是对超光速的有力驳斥。但也不能排除我们可能超越光速旅行却回不到过去的可能性。另一种可能性是，当我们的旅行速度超过光速时，因果关系会以某种一致的方式被破坏。
总之，时间旅行和超光速旅行并不完全相同，而是有联系的。如果我们能回到过去，我们也能以超过光速的速度旅行。
第三部分:未确定超光速的可能性。
19.超光速粒子
超光速粒子是理论上预测的粒子。它有一个超过光速的局部速度(瞬时速度)。它的质量是虚的，但它的能量和动量是实的。有人认为这种粒子是探测不到的，其实不一定。阴影和光点的例子表明，超过光速的东西也可以被观察到。
目前还没有超光速粒子存在的实验证据，大多数人都怀疑它的存在。有人声称，在测量氚β衰变释放的中微子质量的实验中，有证据表明这些中微子是快子。这个值得怀疑，但也不能完全排除这种可能性。
快子理论的问题在于它违背了因果关系，而且快子的存在使得真空不稳定。后者理论上是可以避免的，但那样我们就无法实现我们想要的超光速通信。
事实上，大多数物理学家认为超光速粒子是场论病态行为的表现，大众对超光速粒子的兴趣大多是因为它们在科幻作品中多次出现。
20.虫孔
一个关于全球超光速旅行的著名建议是使用虫洞。虫洞是连接弯曲时空两地的捷径。通过虫洞从一个地方旅行到另一个地方比光沿着正常路径从一个地方旅行到另一个地方需要更少的时间。虫洞是经典广义相对论的推论，但创造虫洞需要改变时空的拓扑结构。这在量子引力理论中是可能的。
打开虫洞需要一个负能量区域，米斯纳和索恩建议利用卡西米尔效应大规模产生一个负能量区域。Visser建议使用宇宙弦。这些建议近乎不切实际的梦想。负能量的奇怪物质，可能根本不会以它们所要求的形式存在。
索恩发现，如果能制造出虫洞，就可以用来在时空中构建封闭的类时边界，从而实现时间旅行。有人认为可以用量子力学多重性的解释来消除因果悖论，即如果回到过去，历史会以不同的方式发生。
霍金认为虫洞是不稳定的，因此毫无用处。但虫洞仍然是思想实验的一个富有成果的领域，可以用来澄清在已知和建议的物理定律下什么是可能的，什么是不可能的。
参考文献:W. G. Morris和K. S. Thorne，美国物理学杂志56，395-412(1988 ), w . g . Morris，K. S. Thorne和U. Yurtsever，物理评论快报61，1446-9(1988)Matt Visser，物理评论D39，3182-4关于多元宇宙的解释，请看《现实的结构》，大卫·多伊奇，企鹅出版社。
21.曲速驱动
曲相推进是指以特定的方式弯曲时空，从而使物体的运动速度超过光速。米给尔·阿库别瑞以提出一种可以实现弯曲相位推进的时空几何结构而闻名。时空的弯曲使物体能够以超光速旅行，同时保持在一条类似时间的世界线上。和虫洞一样，曲相推进也需要负能量密度的奇怪物质。即使这种物质存在，也不清楚如何排列这些物质实现弯相推进。
对时光倒流的理解
所谓“时间反转”，就是光的多普勒效应。不是“时间”倒退，而是世界“倒退”的感觉。可以和声音相比，都是波粒二象性。多普勒效应基本上是由于波的绝对传播速度，只与介质有关，与声源和接收物体的运动无关。换句话说，波的传播应该以介质为参照系。突破光速障碍时会出现“光障”(类似于“音障”)也不是不可能，可以和超音速飞行相提并论。
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