提到光速首先應該想到愛因斯坦和他的相對論，相對論是20世紀初物理學取得的最偉大的成就之一。

相對論從根本上改變了一直以來所形成的關於時間、空間和運動的陳舊概念，建立了一個新時空。

首先我們來了解一下，愛因斯坦的相對論是在什麼背景下產生的。

18世紀時期，牛頓的經典力學依然是人們普遍認同的物理定律，但人們那時候還沒有意識到經典力學的侷限性（僅適用於宏觀世界以及低速的狀態下）。

• 隨著電磁學的興起，科學家開始系統的研究電磁現象，並且探尋造成這些電磁現象的基本原因。

有一位叫做詹姆斯·麥克斯韋的科學家基於物質的粒子繪景，推導出來了微觀麥克斯韋方程，成功的解釋了當時的各種電磁現象，通過方程組也預測了一些電磁現象，也正因為如此，麥克斯韋也被稱為電磁學的奠基人。

詹姆斯·麥克斯韋

我們討論相對論，和電磁學有什麼關係呢？別急，往下看。

19世紀末期，科學家發現麥克斯韋方程組經過經典力學中的伽利略變換之後，該方程出現了改變，即不符合相對性原理。

麥克斯韋方程組

大概意思就是說：在一個座標系的物理定律，經過適當的座標變換之後，這個物理定律可以適用於所有的座標系。

前面已經提到麥克斯韋方程組已經成功被大量的實驗所證實，所以麥克斯韋方程組的正確性是毋庸置疑的。

那麼問題來了，究竟是經典力學的伽利略變換有侷限性，亦或者是相對性原理的問題。

科學家首先就把矛頭指向了相對性原理，放棄相對性原理之後提出了“以太假說”，從該假說推導出光速對不同的參考系有不同的數值。

然而，很快斐索實驗和邁克耳孫-莫雷實驗就表明了光速與參考系的運動無關。

邁克耳孫-莫雷實驗原理

“以太假說”不攻自破。這也行側面證明了相對性原理的正確性。也就是說伽利略變換具有侷限性。

這時候，洛倫茲提出了洛倫茲變換，自此，麥克斯韋方程組和相對性原理的矛盾終於解決了。

荷蘭物理學家 洛倫茲

1905年，愛因斯坦經過總結髮布了一篇論文，題目是《論動體的電動力學》，初步提出了狹義相對論的概念，其中包括兩大基本原理，其他關於狹義相對論的結論都是在這兩條基本假設的基礎上推倒而來的。

• 基本假設一、光速不變理論

通俗來講就是：無論在任何參考系下，光速永遠是299792458m/s，並不會因為參考系的運動使得光速疊加。

• 基本假設二、狹義相對性原理

以下是根據狹義相對論推導出的著名的結論。

1.光速是宇宙中所有物體的運動以及信息傳遞的上限。同時也是無靜止質量粒子（光子）和對應的場波動（引力波，電磁波）在真空中的速度。

2.著名的質能等價公式E=mc²。

由公式可以發現，物體的靜質量與速度是成正比的，當一個物體以光速運動，那麼其質量也將會變得無窮大，也就是說任何靜質量不為零的物質是不可能達到光速的，因為如果要達到光速，這就需要無窮的能量來推動，而無窮多的能力是不存在的，也就無法達到光速了。

看到這裡，我們對光速應該就有了一定的認識，也就是說：光速限制的是有質量的物體。

• 那什麼情況下會超光速呢？

答案很簡單：只要不涉及能量和信息的傳遞就可以了。

宇宙中的超光速現象有哪些？

• 宇宙加速膨脹

宇宙膨脹其實來源於宇宙大爆炸理論，而宇宙大爆炸自然說的就是在138億年前，一個質量、熱量、密度無限大，體積無限小的奇點發生熱爆炸誕生了宇宙。

宇宙中的大多數星系都在遠離銀河系，不過不是因為這些星系本身的運動所造成的，而是因為星系之間的空間膨脹才導致星系之間互相遠離。

最早發現宇宙膨脹的天文學家是喬治·勒梅特，他觀測到大部分的星系光譜都存在著紅移的現象，之後提出了著名的哈勃定律V=H₀D，這個H₀就是宇宙膨脹的速度。

H₀單位是千米每秒每兆帕秒，意味著地球和目標星系之間每相隔百萬分之一秒，星系的速度就會增加哈勃常數這一個常數的值。

哈勃常數在宇宙計算中有著舉足輕重的作用，是量化宇宙演變最直接的工具之一，還可以計算宇宙的絕對規模、大小和年齡。

那麼應該如何測算它的數值呢？有兩種方法。

• 一是利用宇宙微波背景輻射。原理是利用這些輻射中微小的起伏從而推算出哈勃常數的數值。

宇宙背景輻射產生於宇宙大爆炸之後的30萬年之後，是一種充滿宇宙的電磁輻射。宇宙微波背景輻射是來自宇宙空間背景上的各向同性、黑體形式還有各向異性的微波輻射。根據大爆炸理論，宇宙是從極熱的一種狀態而來，而背景輻射會隨宇宙膨脹逐漸變冷，但是背景輻射的能譜的最原始黑體形狀被保存了下來。

宇宙微波背景指的是宇宙大爆炸時期，所遺留的熱輻射（簡稱CMB，或遺留輻射），這種輻射充滿了整個宇宙，同時可以稱得上是宇宙中最古老的光。

宇宙微波背景

• 另一種是通過觀測造父變星和la超新星，原理是測算我們距離類星體和中間星系的距離，再把這段距離和物體的紅移進行比較，看物體的光被拉伸了多少。

光譜紅移

紅移，是指電磁輻射波長增加，頻率降低到一種現象。在可見光波段中光譜的譜線會朝紅色一端移動一段距離，相反的，也有藍移，與之對應的是：波長變短頻率增加。

星系紅移

科學家通過了1965年發現的宇宙3K微波背景輻射現象和紅移現象觀測計算出來了哈勃常數的值，科學家目前觀測到的哈勃常數為H=67.80±0.77km/s/Mpc，就是說距離每增加一百萬秒差距，兩個星系的退行速度增加67.80千米每秒。

在這種測定方法中，不僅得到了宇宙膨脹的速度，甚至得出了宇宙加速膨脹的結論。

實際上我們通過宇宙微波背景得到的宇宙年齡為138億歲。而宇宙可觀測直徑就達到了930億光年，同樣可以知道宇宙在超光速膨脹的結論。

那麼宇宙膨脹超光速和愛因斯坦的相對論矛盾嗎？

當然不矛盾，因為宇宙膨脹是空間自身膨脹，同時也並不涉及信息傳遞。

• 量子糾纏

在量子力學中，當幾個粒子彼此之間相互作用後，各個粒子擁有的特性會成為整體特性。這種性質就叫做量子糾纏。

舉個簡單的例子：

假設一個零自旋粒子衰變稱為兩個以相反方向移動的兩個粒子之後，對其中的一個粒子測量自旋，如果得到的是上旋那麼另一個粒子一定是下旋。

更不可思議的是這種現象不受距離的限制，即使是兩個粒子放在930億光年的兩端，依然可以觀測到量子糾纏現象。

科學家也提出：量子糾纏到速度至少比光速快10000倍。但科學家至今仍不明白量子糾纏到基礎機制。

接著我們再來討論，量子糾纏由於不能傳遞信息，所以也沒有違背愛因斯坦的相對論。

量子糾纏現象

愛因斯坦的相對論從一定程度上間接的催生了量子力學這門物理學科，同時也為研究微觀世界的高速運動確立出全新的數學模型。由此可見相對論在物理界的地位。

結語

題目中的光速不可超越，是由狹義相對論推導出的結論，具有一定的前提條件。- -直以來人們認為光速不可超越，然而超光速現象一件一件的被發現，其實是大多數人沒有正確理解“光速無法超越”這個定理，對這個定理產生了邏輯性的錯誤。

我們人類對於宇宙的探索還很遙遠，未來也許還會發現更多的超光速現象，但可以肯定的是它們一定不存在信息傳遞。