深度科普：光速是宇宙最快速度？別鬧，這四種速度遠(yuǎn)超光速！

在我們的常規(guī)認(rèn)知里，光速可謂是速度的天花板。

光在真空中的傳播速度達(dá)到了驚人的 299792458 米 / 秒 ，這個(gè)數(shù)字就像一道不可逾越的屏障，長(zhǎng)久以來(lái)被視作宇宙速度的極限。

愛(ài)因斯坦的相對(duì)論更是為這一觀點(diǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)相對(duì)論，任何有質(zhì)量的物質(zhì)粒子，其運(yùn)動(dòng)速度都無(wú)法超越光速，信息的傳遞速度同樣被限制在光速以內(nèi)。

然而，宇宙的神秘遠(yuǎn)超我們的想象，它總是不斷給我們帶來(lái)新的驚奇與挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著科學(xué)研究的不斷深入，越來(lái)越多的現(xiàn)象表明，在某些特殊情況下，存在著遠(yuǎn)超光速的速度。

1.宇宙大爆炸初期的暴漲速度。

在宇宙學(xué)的宏大敘事中，宇宙大爆炸理論占據(jù)著核心地位，為我們描繪了宇宙誕生的壯麗圖景。大約 138 億年前，宇宙源于一個(gè)溫度極高、密度極大的奇點(diǎn) 。在難以想象的極短瞬間，這個(gè)奇點(diǎn)發(fā)生了驚天動(dòng)地的爆炸，由此開(kāi)啟了宇宙的演化歷程。

而在大爆炸發(fā)生后的極短時(shí)間內(nèi)，宇宙經(jīng)歷了一段極為特殊的時(shí)期 —— 暴漲期。

從大爆炸后 10?3?秒到 10?32 秒，在這短暫得幾乎可以忽略不計(jì)的瞬間，宇宙的體積以超乎想象的速度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，在僅僅 10?33 秒內(nèi)，宇宙膨脹了 21??倍 。這種膨脹速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了光速，用 “極速狂飆” 來(lái)形容都顯得蒼白無(wú)力。如果將宇宙的膨脹比作一場(chǎng)賽跑，那么光速在宇宙暴脹的速度面前，就如同蝸牛爬行一般緩慢。

那么，宇宙膨脹速度遠(yuǎn)超光速，這是否違背了愛(ài)因斯坦的相對(duì)論呢？實(shí)際上，這并不矛盾。

相對(duì)論所限制的是物質(zhì)和信息在空間中的運(yùn)動(dòng)速度不能超過(guò)光速，而宇宙大爆炸時(shí)的膨脹，本質(zhì)上是空間本身的膨脹，并非物質(zhì)在空間中的運(yùn)動(dòng)。

這就好比一個(gè)不斷膨脹的氣球，氣球表面上的點(diǎn)（可以類(lèi)比為宇宙中的物質(zhì)）并沒(méi)有在氣球表面快速移動(dòng)，但隨著氣球的膨脹，這些點(diǎn)之間的距離卻越來(lái)越大。宇宙空間的膨脹不受相對(duì)論中光速限制的約束，所以在宇宙大爆炸的暴脹期，空間能夠以超光速的速度膨脹，為后續(xù)宇宙的演化奠定了基礎(chǔ)。

2.宇宙膨脹的速度。

科學(xué)家們通過(guò)對(duì)遙遠(yuǎn)星系的長(zhǎng)期觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的事實(shí)：宇宙不僅在膨脹，而且膨脹的速度還在不斷加快，這種加速膨脹的現(xiàn)象在距離地球 136 億光年以外的區(qū)域表現(xiàn)得尤為明顯，那里的星系正以超光速的速度遠(yuǎn)離我們 。

科學(xué)家們是如何發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的呢？這要?dú)w功于一種被稱為 “哈勃定律” 的重要發(fā)現(xiàn)。

1929 年，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫?哈勃通過(guò)對(duì)星系光譜的分析，發(fā)現(xiàn)星系退行速度和它們與地球的距離成正比 。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，退行的速度就越快。這一發(fā)現(xiàn)為宇宙膨脹提供了有力的證據(jù)。隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們對(duì)更多的星系進(jìn)行了觀測(cè)和研究，進(jìn)一步證實(shí)了哈勃定律的正確性，并發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹速度并非恒定不變，而是在逐漸加快。

那么，宇宙膨脹的速度究竟有多快呢？

目前，科學(xué)家們通過(guò)多種方法對(duì)宇宙膨脹速度進(jìn)行了測(cè)量，其中最常用的是利用哈勃常數(shù)來(lái)描述。哈勃常數(shù)表示在距離我們 10Mpc（百萬(wàn)秒差距，1pc 約為 3.26 光年 ）位置，星系退行速度。不同的測(cè)量方法得到的哈勃常數(shù)值略有差異，但大致在 67 - 74km/s/Mpc 之間 。根據(jù)哈勃定律，我們可以計(jì)算出，在距離地球 136 億光年的地方，星系的退行速度已經(jīng)超過(guò)了光速。這意味著，這些星系發(fā)出的光永遠(yuǎn)也無(wú)法到達(dá)我們的地球，它們正逐漸消失在我們的可觀測(cè)宇宙之外。

需要強(qiáng)調(diào)的是，宇宙膨脹超光速與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度限制并不矛盾。宇宙膨脹本質(zhì)上是空間的膨脹，而不是物質(zhì)在空間中的運(yùn)動(dòng)。

就像一個(gè)正在膨脹的氣球，氣球表面上的點(diǎn)（可以類(lèi)比為宇宙中的星系）并沒(méi)有在氣球表面快速移動(dòng)，但隨著氣球的膨脹，這些點(diǎn)之間的距離卻越來(lái)越大。空間的膨脹不受相對(duì)論中光速限制的約束，所以宇宙可以以超光速的速度膨脹。

這種超光速的膨脹現(xiàn)象，讓我們對(duì)宇宙的廣袤和神秘有了更深的認(rèn)識(shí)，也引發(fā)了科學(xué)家們對(duì)宇宙未來(lái)命運(yùn)的種種猜測(cè)。

2.量子糾纏的速度。

量子糾纏是指當(dāng)幾個(gè)粒子在彼此相互作用后，由于各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無(wú)法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì) 。這就好比一對(duì)有著神奇心靈感應(yīng)的雙胞胎，無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，一個(gè)的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)也會(huì)瞬間做出相應(yīng)改變。

想象一下，有兩個(gè)相互糾纏的粒子 A 和 B，它們就像被一根無(wú)形的線緊密相連。

當(dāng)我們對(duì)粒子 A 進(jìn)行測(cè)量，確定它的自旋方向?yàn)橄蛏蠒r(shí)，粒子 B 會(huì)在同一瞬間，無(wú)需任何時(shí)間延遲，將自己的自旋方向確定為向下，即便它們之間的距離可能是數(shù)光年之遙。這種超越空間限制、瞬間相互影響的特性，被愛(ài)因斯坦形象地稱為 “鬼魅般的超距作用” ，它完全違背了我們?nèi)粘Ｉ钪械闹庇X(jué)和經(jīng)典物理學(xué)的觀念。

在經(jīng)典物理學(xué)中，信息的傳遞需要時(shí)間，并且速度無(wú)法超過(guò)光速，但量子糾纏中的這種關(guān)聯(lián)卻是瞬時(shí)的，仿佛打破了時(shí)間和空間的束縛。

科學(xué)家們通過(guò)一系列精妙的實(shí)驗(yàn)，確鑿地證實(shí)了量子糾纏的存在和其超光速的特性。其中，最著名的當(dāng)屬愛(ài)因斯坦 - 波多爾斯基 - 羅森悖論（EPR 實(shí)驗(yàn)） 。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家成功地讓兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的量子粒子發(fā)生糾纏，然后對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)另一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)立即按照糾纏的規(guī)則發(fā)生改變，這一結(jié)果清晰地展示了量子糾纏的非局域性，也就是超光速的特性。中國(guó)的 “墨子號(hào)” 量子衛(wèi)星也進(jìn)行了突破性的量子糾纏實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的量子糾纏分發(fā)，進(jìn)一步驗(yàn)證了量子糾纏在大尺度距離上的有效性和超光速特性 。

量子糾纏的應(yīng)用前景極為廣闊，尤其在量子通信和量子計(jì)算領(lǐng)域，展現(xiàn)出了巨大的潛力。在量子通信中，利用量子糾纏可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通信方式。量子密鑰分發(fā)就是基于量子糾纏的特性，通信雙方可以通過(guò)共享糾纏粒子對(duì)，生成獨(dú)一無(wú)二的密鑰，任何試圖竊聽(tīng)或竊取密鑰的行為都會(huì)立即破壞量子糾纏態(tài)，從而被通信雙方察覺(jué)，確保了通信內(nèi)容的絕對(duì)安全。這種安全性是傳統(tǒng)通信方式無(wú)法比擬的，為未來(lái)的信息安全提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，量子糾纏更是發(fā)揮著核心作用。量子比特之間通過(guò)量子糾纏相互關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，大大提高計(jì)算速度和效率。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)在處理某些復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，如大規(guī)模數(shù)據(jù)的搜索、復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及模擬量子系統(tǒng)等，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。它能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要數(shù)年甚至數(shù)百年才能完成的計(jì)算任務(wù)，有望推動(dòng)科學(xué)研究、金融分析、密碼學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)革命性的發(fā)展 。

4.蟲(chóng)洞穿越。

蟲(chóng)洞，這個(gè)在科幻作品中頻繁出現(xiàn)的神秘概念，并非只是科幻作家們天馬行空的想象，它有著深厚的科學(xué)理論基礎(chǔ)。蟲(chóng)洞的概念最早源于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論 。在這套描述時(shí)空和重力的理論中，時(shí)空被視為一種可以彎曲和扭曲的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)時(shí)空受到極度扭曲時(shí)，理論上可能形成一種連接不同區(qū)域的 “隧道”—— 即蟲(chóng)洞 。

這種時(shí)空結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是一種通過(guò)空間的 “捷徑”，在理論上允許物體通過(guò)蟲(chóng)洞快速到達(dá)遙遠(yuǎn)的宇宙區(qū)域，而無(wú)需花費(fèi)傳統(tǒng)的光年時(shí)間。蟲(chóng)洞的數(shù)學(xué)模型由愛(ài)因斯坦和物理學(xué)家納森?羅森在 1935 年首次提出，被稱為 “愛(ài)因斯坦 - 羅森橋” 。在這個(gè)模型中，蟲(chóng)洞被視為連接兩個(gè)黑洞或白洞的通道。

想象一下，我們生活的宇宙是一個(gè)巨大的二維平面，就像一張展開(kāi)的紙張。

從平面上的一點(diǎn)到另一點(diǎn)，常規(guī)的路徑就像是在紙張表面爬行，距離可能非常遙遠(yuǎn)。但如果存在一個(gè)蟲(chóng)洞，就如同在這張紙上打了一個(gè)洞，通過(guò)這個(gè)洞，我們可以瞬間從紙張的一面到達(dá)另一面，大大縮短了兩點(diǎn)之間的距離。這就是蟲(chóng)洞的奇妙之處，它能夠讓我們?cè)谟钪嬷袑?shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的快速穿越，就像擁有了一個(gè)可以跨越時(shí)空的 “任意門(mén)”。

從理論上來(lái)說(shuō)，蟲(chóng)洞確實(shí)提供了一種超光速旅行的可能性。如果我們能夠找到并利用蟲(chóng)洞，就可以在極短的時(shí)間內(nèi)跨越巨大的星際距離，實(shí)現(xiàn)真正意義上的星際旅行。然而，蟲(chóng)洞的存在目前還只是停留在理論階段，我們尚未在宇宙中觀測(cè)到任何蟲(chóng)洞存在的直接證據(jù)。即便蟲(chóng)洞真的存在，要想利用它實(shí)現(xiàn)超光速旅行，也面臨著諸多難以逾越的技術(shù)難題。

根據(jù)目前的理論，蟲(chóng)洞可能是極其不穩(wěn)定的，稍有擾動(dòng)便會(huì)迅速崩塌。這就好比一個(gè)脆弱的玻璃隧道，稍有不慎就會(huì)破碎。要讓蟲(chóng)洞穩(wěn)定存在，可能需要一種 “負(fù)能量” 物質(zhì)，即所謂的 “奇異物質(zhì)” 。奇異物質(zhì)在目前的物理學(xué)理論中仍是一個(gè)高度假設(shè)的概念。這種物質(zhì)具有負(fù)能量密度，可以抵消蟲(chóng)洞內(nèi)部的正能量壓力，從而維持蟲(chóng)洞的開(kāi)放。

然而，至今為止，科學(xué)家尚未在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)任何形式的奇異物質(zhì)。因此，蟲(chóng)洞的存在與否依然依賴于對(duì)未來(lái)科技和理論的突破。

即便蟲(chóng)洞能夠形成并穩(wěn)定存在，維持蟲(chóng)洞開(kāi)放所需的能量也是一個(gè)難以想象的巨大數(shù)值。根據(jù)目前的理論計(jì)算，穩(wěn)定一個(gè)能夠供人類(lèi)通過(guò)的蟲(chóng)洞所需的能量相當(dāng)于一顆恒星的總能量輸出 ，這遠(yuǎn)超我們目前的科技水平。因此，如何在不破壞物理定律的前提下獲得如此巨大的能量，也是科學(xué)家們面臨的巨大難題。

此外，蟲(chóng)洞作為時(shí)間旅行工具還涉及到一些邏輯上的悖論，例如著名的 “祖父悖論” 。假設(shè)一個(gè)人通過(guò)蟲(chóng)洞回到過(guò)去，在自己的父親出生前殺死了自己的祖父，那么這個(gè)人自己是否還會(huì)存在？如果他不存在，又是誰(shuí)回到過(guò)去殺死了祖父？這些悖論目前還沒(méi)有合理的解釋?zhuān)步o蟲(chóng)洞的時(shí)空旅行應(yīng)用帶來(lái)了邏輯上的困境。