首先澄清一点,目前所知,引力波并没有超光速,这从理论上和实践上都已经得到证明:引力波是100多年前爱因斯坦在广义相对论中预测的,并从其引力场方程中推算出引力波的速度为光速;2017年8月17日美国LIGO探测器探测到距我们1.3亿光年远的双中子星并合产生的引力波,
引力波和电磁对应体几乎同时到达地面,这有力地证明了引力波的速度为光速。
就目前的实践和认识水平,光速是不可超越的。实际上这个论断来自于爱因斯坦狭义相对论的光速不变原理。这个原理说的是对于任何惯性系来讲,光在真空中的传播速度是不变的,与观察者和光源的运动状态无关。这个速度的大小为299792458米/秒。光速对于无论以多快速度运动的物体来说仍然是不变。这意味着任何物体的运动速度不能超过光速,甚至达到光速都不行。光速就是最高速,这就是光速限制原理。你可以无限接近299792458米/秒,但在接近的过程中肯定会产生一些效应来阻止你接近,最终是没法达到光速的。比如质量趋向于无限大。
(其中m为物体质量,m0为物体静质量,Ⅴ为物体运动速度,C为光速。)
当速度V→C时,分母→0,则物体质量m→+∞从上式可以看出,只有物质的静止质量m0为0,物质的质量才有可能为0,物质的速度才有可能达到或超过光速。中微子静止质量几乎为0,所以它接近光速;而电磁场(光子)的静止质量为0,所以它达到光速。空间没有质量,所以它的膨胀速度可以超光速(应该说相对论结论可以进一步延伸)。有的读者看到这里会觉得奇怪,不是说光速不可超越吗?怎么有的能超光速?对此传统的解释是:光速限制原理说的是有效信息和能量的传递速度不能超光速,对于没有信息传递的速度没有限制。比如说量子纠缠就没有信息的传递,所以它可以超光速。
量子纠缠的超光速问题
所谓的量子纠缠,指的是几个粒子在相互作用后,各个粒子的特性已综合成为一个整体性质,无法单独描述单个粒子的特性,只能描述整体系统的性质。纠缠就是分不开,即使分开了,也是一个整体。根据不确定性原理,在未观测之前两个量子还是一个整体,是没办法确定它们单独的状态的。观测时其中一个量子的自旋被确定了,另一个相距再远,即使在宇宙的另一边,也会瞬间被确定,即在观测前并没有两个实在量子,是观测影响了结果。其传输速度远远超过光速,至少是10000倍光速。由于并没有传递任何信息和能量,所以并没有违反相对论。另一种解释是:两个量子的超光速作用并没有把任何一个粒子加速至超光速,这里根本就不涉及物质的运动。没有运动何来的超光速?量子力学是非定域化的,波函数弥漫全宇宙,宇宙是一个全息整体,所以量子才能超光速纠缠。
空间超光速膨胀问题
上面提到了空间膨胀速度,根据哈勃定律,以地球为中心,宇宙空间膨胀速度每326万光年增加7公里/秒,大约距地140亿光年,空间膨胀速度就达到了光速,现在的可观测宇宙是140亿光年以内的天体在它们随着空间超光速膨胀前发出的光经过若干亿年陆续到达地球后人们所看到的。据推算它们现在距我们有460亿光年了。那空间为什么可以超光速?因为光速限制原理说的是所有在空间中运动的东西的最高速度,包括光子本身,这些运动都属于空间中的运动。物体的运动速度是以空间为背景衡量的(没有空间就没有速度可言),也是在空间的运动(再快的物体也跑不出空间“之外”去)。而空间的膨胀则是空间自身的运动,是空间成份之间的相互远离运动,光速限制原理怎么能管了它?这就是空间超光速的真正原因,而非什么没有信息传递可以超光速的说法。相对论是局域化的,即超光速的或探测不到的影响不到我们,对于我们就是不存在的。但量子力学却是认为全宇宙都有影响的,所以相互运动怎么会不传递信息?
引力波的速度问题
从上面叙述想到一个问题:引力波是时空的涟漪,如果空间超光速膨胀,那么引力波的传播速度是否也会超光速?目前发现的引力波距离我们较近、次数较少,它的速度问题还有待进一步确定。