光速真的不可超越吗？

我们都知道，速度是用来描述运动快慢的物理量。一般情况下，速度是描述 质点相对于参照物的位置变化的快慢 。

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”机械运动“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，除了机械运动之外，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 。

由于系统的 整体变化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，各个部分都相互远离（靠拢）；气球充气（放气）时，球面上各个点也都相互远离（靠近）；宇宙正在膨胀，宇宙中的星系正在相互远离。

注意到没，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 ，设此刻它们之间远离速度为 ，当它们的距离为 时，它们的远离速度应为 。

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，这违反相对论吗？

答案是：并不违反！

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化快慢的物理量。

宇宙膨胀是一种典型的本底运动 ，其速度可超光速。

现代宇宙学的标准框架——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 是星系远离地球的速度， 是星系到地球的距离，而 是哈勃常数，其值随时间变化，当前值约为 。

注意到它的单位——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

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远离我们而去。

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 不违反相对论 。

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——注意，这个距离甚至超过465亿光年，只是不能被我们看到罢了！

大家想想，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，这只是一种心理想象，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 。

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，上述两件事实际上等价！只要解释其一即可，下面就解释光斑的情形。

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，一个巨大的表演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。 它往往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其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。

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 ， 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，那说明德布罗意波的波速