根据狭义相对论，真空中的光速 c 是一个常数，即 299792458m/s，作为一个速度值，它是禁止被超越的。也就是说，除了光，任何物质移动或信息传播的速度，都不可能超过c。但你知道吗，这世界上偏偏就有超光速（FTL）的事！看到此，大多数人可能会满脑子疑问——不可能吧？！诸君莫急，且听小编慢慢道来。1
两种运动
我们都知道，速度是用来描述运动快慢的物理量。一般环境下，速度是描述质点相对于参照物的位置变革的快慢。
换句话说，一般的速度默认是一种相对速度，描述的运动叫相对运动。
初中物理课中讲的”机器运动“就是一种宏观的相对运动，例如血液循环、飞机飞行、气体流动和地球自转等等。
当然，除了机器运动之外，还有分子热运动、电磁运动也属于相对运动。
所以，什么是相对运动？它就是物体相对于参照物的运动，是指狭义相对论中所说的一切运动。
因此，狭义相对论中所说的不超光速，自然就是指作相对运动的物体的速度不超光速。
看到此，你大概想到超光速的一种可能性吧！
是的，如果某个运动不是相对运动，那它的速度应该不受狭义相对论的光速限制吧？
没错！它就是超光速的第一种情形！
但是，难道还有什么不属于相对运动的运动吗？
有的！它叫本底运动。
2
什么是本底运动？
由于系统的团体变革而引起系统内部各部分之间分离或会聚的运动，叫做该系统的本底运动。
举几个例子你就懂了。
弹簧被拉长（压缩）时，各个部分都相互阔别（靠拢）；气球充气（放气）时，球面上各个点也都相互阔别（靠近）；宇宙正在膨胀，宇宙中的星系正在相互阔别。
留意到没，本底运动与相对运动不同。首先，它并不依赖于某个参考系；其次，它没有方向性，在系统中的任何一点，看到的效果都一样。
更重要的是，本底运动还满足一种规律：距离越远的点，彼此之间的相对速度越大。
对膨胀的气球，考虑上面的两点，若它们之间的距离为，设此刻它们之间阔别速度为，当它们的距离为时，它们的阔别速度应为。
这种速度随距离的增加而增加的规律就是广义哈勃定律，即
其中为广义哈勃常数。显然，当时，本底运动的速度将无限大。
那么，这违背相对论吗？
答案是：并不违背！
因为，这个速度并不是描述质点或者系统（例如星系）相对某个参照物的位置变革快慢的物理量。
3
宇宙膨胀速度
宇宙膨胀是一种范例的本底运动，其速度可超光速。
现代宇宙学的尺度框架——ΛCDM模型认为，宇宙中充满着占宇宙总能零约69%的暗能量，它导致宇宙的加速膨胀。描述这种空间本身的膨胀的规律即宇宙学的哈勃定律，即
其中是星系阔别地球的速度，是星系到地球的距离，而是哈勃常数，其值随时间变革，当前值约为。
留意到它的单位——千米每秒每百万秒差距！1秒差距是3.26光年，所以百万秒差距是一个非常大的距离——326万光年！
可见，宇宙膨胀只有在极大的空间尺度上才会体现出来，在太阳系甚至这么小的空间上是不存在的，更别担心由于空间膨胀导致你的身体膨大。
按照哈勃定律，离地球多远的星系，其退行速度会达到光速呢？这个临界距离值很容易得到，即
代入数据计算得
140亿光年！这就是哈勃半径。实际的宇宙早已超过这个尺寸——现代宇宙学给出的可观测的宇宙半径为465亿光年！所以地球上会看到，宇宙中有大量的天体正以超光速的速度阔别我们而去。
你可能有一个疑问，为什么可观测宇宙的半径不是140亿光年？这是因为早期宇宙尺寸较小，膨胀的速度也较小，星系在那时发出的光仍然能被我们看到。
宇宙膨胀描述的是空间本身的运动，没有涉及物质的运动，所以无论膨胀速度多快，都不违背相对论。
你可以想象这样一幅图景——无数的光之箭正在空间中按光速飞行，但它们不知道的是，膨胀的空间还会带着它们更快的飞行，这使得光能在宇宙年龄138亿年的时间内抵达更远的距离——留意，这个距离甚至超过465亿光年，只是不能被我们看到罢了！
4
相对分合速度
各人想想，还有哪些超光速情形呢？
有人说：”啊，我的思绪瞬间飞到了银河系之外！“
这当然不算，这只是一种心抱负象，那个所谓的银河系之外的宇宙就在你脑袋里，你的思绪最快也不会超过神经信号的速度。
有人曾提出，他看到一个飞船向左飞行，速度是0.8c，另一个飞船向右飞行，速度也是0.8c。这样一来，他就发现这两个飞船的相对分离速度是1.6c!
有人可能会反驳——相对论速度不符合伽利略速度变换，所以1.6c是错的，应该用洛伦兹速度变换才对。
不不不！这里是讨论观察者看到两个物体之间的分离速度，观察者本人就是唯一的参照系，不涉及速度变换，所以1.6c这个速度没毛病。
这就是所谓相对分合速度，它是真实的相对速度的数学运算结果，如下图所示
可见，它是通过矢量减法得到的，即
当两个物体沿相反方向运动时，它的值最大，即
当二者的速度同向时，它的值最小，即
显然，相对分合速度最大不会超过2倍的光速。
5
出现速度
当你在一盏灯前面快速晃动一根棒子时，遥远处的一堵墙上的影子会更快地移动。同样的，当你快速晃动手中的激光灯时，它在遥远的墙面上投射的光斑也会高速移动。
显然，只要墙面在足够远的地方，无论影子或光斑，它们的速度都有可能超过光速。
为什么这种速度会超光速呢？
首先，我们知道，影子朝一个方向的移动，可看作光斑朝相反方向移动，所以，上述两件究竟际上等价！只要表明其一即可，下面就表明光斑的情形。
为了更好地理解，我们先来考虑一个更简单的事。
在运动会开幕式上，一个巨大的演出方阵随时间变幻出各种花样。设某一刻，左上角有5个人举起手中的紫色小旗然后快速放下，就在这一瞬间，最远的右下角5个人举起手中的紫色小旗。
看台上的你可能会有一种感觉——这个紫色图案在瞬间从左上角移到了右下角！移动的速度为
这种两地事件出现时的空间距离与时间差的比值，叫出现速度。
显然，出现速度不受光速限制，只要距离足够大，或者时间差足够小，它就可以比光速大，甚至可以无穷大。
为什么会这样？
因为，在出现速度中，物质实际上并未移动，移动的只是一种表象上的东西。它每每是一种运动形式或状态，物理中称之为相。它并非物质，既然不是物质，移动的速度当然就不受光速的限制了。
从因果关系的角度看，每个元素的移动（例如光斑中的一个点）都是以各自的出现速度来完成的，各个元素之间并无关联，所以光斑的前后位置之间并无任何因果关系，所以其速度不受光速的限制。
当事件的空间距离远大于当时间距离乘以光速时，光信号都来不及联系它们。所以，出现速度并不代表任何实际信号速度，那么它自然就不受光速的限制了。
6
德布罗意波波速
根据德布罗意的理论，物质波，即所谓德布罗意波，其波速是指波的相速度，[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]它满足
代入和得
由于粒子的速度就是波的群速度，所以得到
既然物质粒子的速度，也就是波的群速度不会超过光速，那阐明德布罗意波的波速总是比光速大。
如何理解德布罗意波的波速超光速这件事呢？
我们知道，数学上的简谐平面波，由于不携带信息，它可以超光速，而德布罗意波，可以看作空间中无数个数学上的波组合而成的波包。波包中心的速度就是粒子的速度，也即是群速度，但它包含的平面波并非可观测的波，当我们观测它的时候，所有的平面波都瞬间坍塌为物质粒子。
换句话说，我们永远看不到德布罗意波的波速，所以它当然就不会带来任何能量或信息的传递，所以它超光速并不带来任何实质性的影响，自然也不违背相对论。
7
快子的速度
根据光速稳定原理，理论物理学家发现，参考系之间必须满足庞加莱变换，据此推出，所有可能的单粒子态有6种，其中有一种态对应的粒子的质量是虚数，它就是快子。
与普通物质粒子不同，快子的能量越大，它的速度反而越小，但无论怎样增加它的能量，它的速度都不会降至光速。然而，快子只是一种理论上的虚拟粒子，实行上并未发现快子存在的任何迹象。
对普通的物质粒子来说，无论你怎样给它增加能量，它的速度都不可能增至光速。
而对光子来说，无论你怎么利用它，真空中的光速永远都是恒定值c。
对光速而言，作为一条渐近线，它就像超光速和亚光速世界的绝对屏蔽，两边的粒子永远无法穿越这道屏蔽。
所以，不是不能超光速，而是不能超过光速。
换句话说，若粒子的速度本来就比光速小，那就永远不会超过光速；而若粒子的速度本来就比光速大，那就永远不会小于光速。
8
电磁波的相速度和群速度
电磁波作为一种电磁振动在空间种的传播，它有群速度和相速度。分别定义如下：
如下图所示，红色点移动速度代表相速，蓝色点移动速度代表群速。
有人可能会问，光速c到底是群速度还是相速度？
答案是，它既不是群速度，也不是相速度，它是指真空中的光速，是一个常数。当然，真空中的光，它的群速度与相速度都即是c。
那么，电磁波群速度和相速度是否会超过光速c呢？
这个取决于波传播的介质的色散关系。例如，在折射率小于1的介质中，波的相速度可超过光速；而在反常色散介质中波的群速度也可以超过光速。
具体细节比较繁琐，这里就不作介绍了，有爱好者可查阅相关文献。
但同样地，电磁波的相速度和群速度超光速这件事，并不意味着电磁波的传播违背了相对论。
原因是，作为按上述定义的相速度和群速度，它们与电磁波信号的传播速度并没有必然的联系，因此这些超光速征象并不违背因果律，自然也就不违背相对论了。
9
有哪些超光速的事？
综上所述，我们相识了如下几种超光速的情形。
宇宙膨胀速度，它是一种本底运动，是空间的膨胀造成的，可超光速。
相对分合速度，它是基于相对运动速度获得的，可超光速，但不超过2倍的光速。
出现速度，它对应的物理事件本身没有因果关系，故它可以是任意大小的速度，当然可超光速了。
德布罗意波的波速可超光速，但由于波的不可观测，其波速本身也不具备任何可观测效果。
电磁波的相速度和群速度在有些环境下也可超光速，但并没有实际的信号或能量被传递，所以也不违背相对论。
别的，量子纠缠的速度可以超光速，但这是由于量子的非局域性导致的，本身无法传递信息，所以也不违背相对论。
总的来说，固然超光速的确是存在的，但所有的超光速环境都不涉及能量或信息的传递，所以都不违背相对论。
参考文献
蔡志东.物理学中的两种运动4种速度和“超光速”征象的同一表明[J].物理通报,2016,(02):125-129.张元仲. 反常色散介质超光速征象研究的新进展[J]. 物理,2001,30(8):456-460.
来源：物含妙理
编辑：余荫铠
来源：https://view.inews.qq.com/k/20250310A0469R00
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