光速極快，每秒30萬公里的速度，成了宇宙中物質(zhì)和信息傳輸?shù)乃俣葮O限。古代智人在廣闊的大陸上無法有效地互相聯(lián)系僅僅是因為他們?nèi)狈ΜF(xiàn)代化的工具。一旦火車、電報、飛機、輪船等登上了歷史舞臺，全球的不同文明就注定緊密地聯(lián)系了起來。

今后，太空移民遇到的問題則更為嚴(yán)重，不同星球移民之間的溝壑是基本物理理論造成的，因為光速無法滿足我們星際旅行的需要，而超光速的飛船和通訊手段都違背了狹義相對論。

一、無法逾越的光速

狹義相對論告訴我們，光速是宇宙中最快的旅行速度，即光速不能逾越。這對普通人來說是有點反直覺。在我們的日常體驗中，速度是可以疊加的。例如，小李坐在以v=200km/h速度高速行駛的火車上，然后在車廂里順著火車前行的方向投擲棒球。對火車上的小李而言，他投出的棒球速度是u=100km/h。對窗外的觀測者小張而言，這個棒球的速度就是火車速度加上棒球相對于火車的速度，達(dá)到v+u=300km/h。

在這個棒球?qū)嶒炛校覀兺ㄟ^疊加得到棒球相對于地面的速度（v+u）。這種做法被稱作伽利略變換（Galilean transformation）。在伽利略變換中，空間的量度是絕對的，與參考系無關(guān)；時間的量度也是絕對的，與參考系無關(guān)。這就是牛頓的絕對時空觀。

那么如果小李在行駛的火車上，打開手電筒，發(fā)出的光束相對于地面的速度難道不會超過光速嗎？

19世紀(jì)末，實驗物理學(xué)家阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Abrahan Michelson）和愛德華·莫雷（Edward Morley）發(fā)現(xiàn)伽利略變換竟然對于光的傳播不成立。不論在哪個參考系測量光速，都得到一個恒定的值，約是30萬公里/秒。換句話說，如果你在火車上打開手電，無論對于火車上的乘客，還是對于車外地面上的觀測者，手電射出的光都以相同的速度傳播。

1905年，愛因斯坦（Albert Einstein）在其狹義相對論中提出，一切物理規(guī)律都應(yīng)建立在兩個基礎(chǔ)上：光速不變原理和相對性原理。

相對論認(rèn)為，物體的運動方程在不同參考系間的轉(zhuǎn)換應(yīng)該使用洛倫茲變換（Lorentz transformation）而不是伽利略變換。但在物體低速（遠(yuǎn)小于光速）運動時，伽利略變換是洛倫茲變換的很好的近似。洛倫茲變換最初是用來調(diào)和19世紀(jì)建立起來的經(jīng)典電動力學(xué)與牛頓力學(xué)之間的矛盾，后來成為狹義相對論的基本方程。

狹義相對論還顯示，當(dāng)棒球的速度接近光速時，它的慣性也趨于無窮大。無論你有多大的力量，只能以接近光速拋出棒球，而永遠(yuǎn)無法抵達(dá)光速。在大型粒子加速器中，基本粒子被加速到非常接近光速的程度，狹義相對論的預(yù)言已經(jīng)被物理實驗充分檢驗。

然而，中國科學(xué)院研究員李然博士認(rèn)為，理論上在特定條件下，超光速旅行或許仍有希望。

二、改變空間距離打敗光速

光速極限為人類設(shè)置了物質(zhì)（能量）、信息傳遞和太空旅行的嚴(yán)重障礙。是否有辦法打破它，理論家們提出了不少奇思妙想。

根據(jù)廣義相對論，物質(zhì)的存在會使得空間彎曲，并存在引力透鏡效應(yīng)。如果我們在遠(yuǎn)處的恒星和觀察者之間放上另一個恒星（相當(dāng)于透鏡天體），這個恒星造成的空間彎曲就會使得背景恒星發(fā)出的光線的傳播線路發(fā)生扭曲。在某些時候，恒星發(fā)出的光可能分成幾路到達(dá)地球。地球上的觀測者就會在天空的不同位置都看到同一顆恒星的像。

由于路徑的不同，每束光線經(jīng)過的路程也不同。如果遙遠(yuǎn)恒星死亡，產(chǎn)生超新星爆發(fā)，地球上的觀測者就會看到超新星在天空中若干個不同位置先后點亮，說明地球到恒星的距離隨空間的彎曲而有所改變。

科學(xué)家認(rèn)為，如果要造出空間中的捷徑，我們需要劇烈改變空間的幾何。例如，造出一個科幻電影中講到的時空蟲洞（wormhole），即愛因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridge）。在數(shù)學(xué)上，蟲洞是廣義相對論引力場方程的特解，它可以從高維度空間連接我們所在空間相距遙遠(yuǎn)的兩處，即空間兩點捷徑。

美國物理學(xué)家約翰·惠勒（John Archibald Wheeler）指出，在量子泡沫中，蟲洞可能不斷聯(lián)通，又不斷地消逝。極度發(fā)達(dá)的文明，也許有辦法從量子泡沫中挑出合適的蟲洞，將其擴展成一個供旅行者穿越的隧道。

天文學(xué)家卡而·薩根（Carl Edward Sagan）撰寫的《超時空接觸》科普書中這樣描寫超時空的穿越。他設(shè)計了被黑洞劇烈扭曲的時空中產(chǎn)生的蟲洞隧道，女主角被傳送到了26.5光年距離外的織女星，1小時后她出現(xiàn)在織女星旁的空間里。這個傳遞速度在空間上顯然已經(jīng)超越了光速。

三、操控空間膨脹打敗光速

另一種超時空旅行方案涉及操控空間的膨脹，例如《三體》中提到的曲率驅(qū)動引擎。大家知道，所有的星系都在遠(yuǎn)離銀河系，這是因為宇宙空間在膨脹。距離我們越遠(yuǎn)的星系，退行的速度就越快。由于這種膨脹完全是空間變化，所以不受光速的約束。只要星系距離我們足夠遠(yuǎn)，它的退行速度完全可以超過光速。

假如我們可以操控時空，讓它不均勻地膨脹，也許就有可能使得飛船超過光速前行。1994年，墨西哥物理學(xué)家阿庫別瑞（Miguel Alcubierre）提出了曲率驅(qū)動引擎的理論，通過對時空本身的改造來驅(qū)動飛船。

他指出，可以構(gòu)造一個時空氣泡，使得前進(jìn)方向上的時空壓縮，而反方向的時空膨脹，時空曲率產(chǎn)生了巨大的向前引力，從而達(dá)到曲率引擎的效果。

這個時空氣泡有點像是在時空中劃動的小船，只是它并非撥動水面，而是撥動了時空。一旦氣泡建造完成，飛船只需要待在氣泡中就可以隨著氣泡一同運動了。氣泡通過彎曲前后的時空，達(dá)到超光速向前飛行。

然而，建造時空氣泡需要大量的負(fù)引力奇異物質(zhì)。比利時科學(xué)家布盧克（Chris Van Den Broeck）計算顯示，建造一個時空氣泡，至少需要多于太陽質(zhì)量的奇異物質(zhì)。這顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出了人類目前的能力。

四、結(jié)束語

需要指出的是，為了打破光速不可超越的限制，上述通過蟲洞改變空間距離，以及通過曲率驅(qū)動引擎操控時空膨脹的想法，目前僅僅是科學(xué)家理論探索的初級階段，甚至只是一些大膽的猜想，并且在可見的未來還無法實現(xiàn)。

然而，這些似乎并沒有違背現(xiàn)有的科學(xué)原理。我們需要保持好奇心，夢想還是要有的。

【謝謝閱讀】