超光速(faster-than-light, FTL或称superluminality)会成为一个讨论题目，源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制，光速（真空中大约为30万千米/秒）成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。

概述

而在相对论中，运动速度和物体的其它性质，如质量甚至它所在参考系的时间流逝等，密切相关，速度低于（真空中）光速的物体如果要加速达到光速，其质量会增长到无穷大因而需要无穷大的能量，而且它所感受到的时间流逝甚至会停止（如果超过光速则会出现“时间倒流”），所以理论上来说达到或超过光速是不可能的（至于光子，那是因为它们本身质量为零）。但也因此使得物理学家（以及普通大众）对于一些“看似”超光速的物理现象特别感兴趣。

但是在介质中，物体的运动速度超过介质中的光速则是可能的。因为光速在介质中会下降。这种情况下会产生一些特别的现象。假使物体带电，则会发出蓝色光为主的切连科夫辐射。有可能这个理论被突破，超光速的传播还是有可能的，如果真是这样，时间倒流这些理论就会被修改

2011年9月22日，意大利物理学家在OPERA实验中发现了一种超光速的中微子，如果实验数据确凿无误，爱因斯坦的相对论将会受到挑战。OPERA的此次实验由位于意大利中部山区的格兰萨索国家实验室（LNGS）与位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织(CERN)合作进行，实验结果基于对16,111次中微子测量事件的观察, 标示出了中微子的旅行速度以40322.58分之一超出光速, 为现实中宇宙速度的极限。考虑到这是一个潜在的影响深远的结果，在结论被驳斥或坚实建立之前，还需要更多独立而无关的测量。但是该实验最终错误，是测量人员的技术失误。于2012年6月8日世界公布实验错误。

简介

2000年7月，由于英国《自然》（Nature,2000,406:277）杂志发表了一篇关于“超光速”实验的论文，引起了人们对超光速到底是否存在的讨论。其实对在介质中使光脉冲的群速度超过真空中光速c， 科学家们早有研究，而Nature中报道的这个实验就是实现了这种想法。但是这并非是人们想象的那种所谓违反因果律（或者相对论）的超光速，为了说明这个问题，让我们看一看由华人科学家王力军所做的这个实验。

光脉冲是由不同频率、振幅、相位的光波组成的波包，光脉冲的每个成分的速度称为相速度，波包峰的速度称为群速度。在真空中二者是相同的，但是在介质中如我们所知道的存在如下的群速度与介质。

折射率的关系：vg = c / ng ， ng = n + ω（dn/dω）

显然在一定的情况下（如反常色散很强的介质）可以出现负的群速度，此时，光脉冲在介质中传播比真空中花的时间短，其差ΔT = (L/v) – (L/c）达到绝对值足够大时就可以观察到“超光速”现象，即“光脉冲峰值进入介质以前，在另一边已经有脉冲峰出射了”（由王力军原文译）。

那么这种超光速是不是违背因果律呢？仔细考查王的实验就会发现，出射光脉冲虽然是在入射脉冲峰值进入介质之前出现的，但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了，因此出射脉冲可以看作是由入射脉冲前沿与介质相互作用产生的。其实王的实验重要意义正在于实现了可观测的负群速度的这一现象，而不是像媒体炒作的那样发现了什么“超光速”，负的群速度在这里就不能理解为光的速度了，它也不是能量传输的速度。

当然，这一实验本身就说明我们人类对光的认识又前进了一步。对这个实验的解释只凭折射率与群速度的关系这个公式是远远不够的，这其中包含了量子干涉的效应，涉及到对光的本质的认识，揭开蒙在“超光速实验”头上的面纱，仍然是科学家们奋斗的目标。

很多人在了解了这个实验后就会想到能否用这种“超光速”效应来传递信息，在王的实验中，“超光速”的脉冲不能携带有用的信息，因此也就无从谈起信息的超光速传递，同样能量的超光速传输也是不行的。

与超光速实验具有相同轰动效应的是另一种“超光速”现象

quantum teleportation即量子超空间传输（或量子隐形传态），这个奇妙的现象因其与量子信息传递及量子计算机的实现有密切联系而引起人们的关注。所谓超空间，就是量子态的传输不是在我们通常的空间进行，因此就不会受光速极限的制约，瞬时地使量子态从甲地传输到乙地（实际上是甲地粒子的量子态信息被提取瞬时地在乙地粒子上再现），这种量子信息的传递是不需要时间的，是真正意义的超光速（也可理解为超距作用）。

在量子超空间传输的过程中，遵循量子不可克隆定律，通过量子纠缠态使甲乙粒子发生关联，量子态的确定通过量子测量来进行，因此当甲粒子的量子态被探测后甲乙两粒子瞬时塌缩到各自的本征态，这时乙粒子的态就包含了甲粒子的信息。这种信息的传递是“超光速”的。

但是，如果一位观测者想要马上知道传送的信息是什么，这是不可能的，因为此时粒子乙仍处于量子叠加态，对它的测量不能得到完全的信息，我们必须知道对甲粒子采取了什么测量，所以不得不通过现实的信息传送方式（如电话，网络等）告诉乙地的测量者甲粒子此时的状态。最终，我们获得信息的速度还是不能超过光速！量子超空间传输的实验已在1997年实现了（见Nature,390,575.1997）。2011年7月已经证实中微子超光速7公里（最后证实该实验数据错误）。

以上两个超光速的方案还只处于理论探讨和实验阶段，离实用还有很远的距离，而且这两个问题都涉及到物理学的本质，实验现象及其解释都在争论之中。

切伦科夫效应

媒质中的光速比真空中的光速小。粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质中的光速。在这种情况下会发生辐射，称为切仑科夫效应。这不是真正意义上的超光速，真正意义上的超光速是指超过真空中的光速。

第三观察者

如果A相对于C以0.6c的速度向东运动，B相对于C以0.6c的速度向西运动。对于C来说，A和B之间的距离以1.2c的速度增大。这种“速度”–两个运动物体之间相对于第三观察者的速度–可以超过光速。但是两个物体相对于彼此的运动速度并没有超过光速。在这个例子中，在A的坐标系中B的速度是0.88c。在B的坐标系中A的速度也是0.88c。

影子和光斑

在灯下晃动你的手，你会发现影子的速度比手的速度要快。影子与手晃动的速度之比等于它们到灯的距离之比。如果你朝月球晃动手电筒，你很容易就能让落在月球上的光斑的移动速度超过光速。遗憾的是，不能以这种方式超光速地传递信息。

影子和与手晃动的速度之比确实等于它们到灯的距离之比，但影子的最快速度不会超过光速.光斑也是如此.假设有一个仰角为60度的斜坡，一个物体以0.6C的速度水平运动，那么理论上在斜坡上的投影的速度是1.2C，实际上影子最大速度为C.现象表现为影子不会出现在该物体垂直投射的方位，而是会滞后.

刚体

敲一根棍子的一头，振动会不会立刻传到另一头？这岂不是提供了一种超光速通讯方式？很遗憾，理想的刚体是不存在的，振动在棍子中的传播是以声速进行的，而声速归根结底是电磁作用的结果，因此不可能超过光速。（一个有趣的问题是，竖直地拎着一根棍子的上端，突然松手，是棍子的上端先开始下落还是棍子的下端先开始下落？答案是上端。）

相速度

光在媒质中的相速度在某些频段可以超过真空中的光速。相速度是指连续的（假定信号已传播了足够长的时间，达到了稳定状态）的正弦波在媒质中传播一段距离后的相位滞后所对应的“传播速度”。很显然，单纯的正弦波是无法传递信息的。要传递信息，需要把变化较慢的波包调制在正弦波上，这种波包的传播速度叫做群速度，群速度是小于光速的。（译者注：索末菲和布里渊关于脉冲在媒质中的传播的研究证明了有起始时间的信号[在某时刻之前为零的信号]在媒质中的传播速度不可能超过光速。）

超光速星系

朝我们运动的星系的视速度有可能超过光速。这是一种假象，因为没有修正从星系到我们的时间的减少。

举一个例子：假如我们测量一个离我们10光年的星系，它的运动速度为2/3 c。现在测量，测出的距离却是30光年，因为它当时发出的光到时，星系恰到达10光年处。3年后，星系到了8光年处，那末视距离为8光年的3倍，即24光年。结果，3年中，视距离减小了6光年……

卡西米（Casimir）效应

当两块不带电荷的导体板距离非常接近时，它们之间会有非常微弱但仍可测量的力，这就是卡西米效应。卡西米效应是由真空能（vacuum energy）引起的。Scharnhorst的计算表明，在两块金属板之间横向运动的光子的速度必须略大于光速（对于一纳米的间隙，这个速度比光速大10-24）。在特定的宇宙学条件下（比如在宇宙弦（cosmicstring）的附近[假如它们存在的话]），这种效应会显著得多。但进一步的理论研究表明不可能利用这种效应进行超光速通信。

宇宙膨胀

哈勃定理说：距离为D的星系以HD的速度分离。H是与星系无关的常数，称为哈勃常数。距离足够远的星系可能以超过光速的速度彼此分离，但这是相对于第三观察者的分离速度。

相关实验

突破光速、超越时空是不少科幻小说的主题，但爱因斯坦的相对论断言光速是任何物质在真空中的最快速度，小说家的幻想没有依据。一些欧洲科学家在实验中发现，中微子速度超过光速。如果实验结果经检验得以确认，爱因斯坦提出的经典理论相对论将受到挑战。科学界认为这项发现是在爱因斯坦的理论上“炸开一个大洞”。

意大利格兰萨索国家实验室“奥佩拉”项目研究人员使用一套装置，接收730公里外欧洲核子研究中心发射的中微子束，发现中微子比光子提前60纳秒（1纳秒等于10亿分之一秒）到达，即每秒钟多“跑”6公里。“我们感到震惊。”瑞士伯尔尼大学物理学家、“奥佩拉”项目发言人安东尼奥·伊拉蒂塔托说。

英国《自然》杂志网站22日报道这一发现。研究人员定于23日向欧洲核子研究中心提交报告。

“奥佩拉”项目发言人伊拉蒂塔托说，项目组充分相信实验结果，继而公开发表结果。“我们对实验结果非常有信心。我们一遍又一遍检查测量中所有可能出错的地方，却什么也没有发现。我们想请同行们独立核查。”这一项目使用一套复杂的电子和照相装置，位于格兰萨索国家实验室地下1400米深处。这不是爱因斯坦的光速理论首次遭遇挑战。2007年，美国费米国家实验室研究人员取得类似实验结果，但对实验的精确性存疑。

这一最新发现可能撼动现代物理学的基石。法国物理学家皮埃尔·比内特吕告诉法国媒体，这是“革命性”发现，一旦获得证实，“广义相对论和狭义相对论都将打上问号”。

欧洲核子研究中心物理学家埃利斯对这一结果仍心存疑虑。科学家先前研究1987a超新星发出的中微子脉冲。如果最新观测结果适用于所有中微子，这颗超新星发出的中微子应比它发出的光提前数年到达地球。然而，观测显示，这些中微子仅早到数小时。“这难以符合‘奥佩拉’项目观测结果。”埃利斯说。

美国费米实验室中微子项目专家阿尔方斯·韦伯认为，“奥佩拉”可能存在测量误差。就韦伯而言，即使实验结果获得确认，相对论“仍是优秀理论”，只不过“需要做一些扩充或修正”。　

问：“超光速”如何被发现？

答：“奥佩拉”项目研究人员接收730公里外欧洲核子研究中心发射的中微子束，发现中微子比光子提前60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）到达，即每秒钟多“跑”6公里。过去两年，他们观测到超过1.6万次“超光速”现象。

问：这项实验是否意味着相对论不再成立了？

答：许多专家认为，即使实验结果获得确认，相对论“仍是优秀理论”，但“需要做一些扩充或修正”。但也有专家认为，如果真的证实这种超光速现象，其意义十分重大，整个物理学理论体系或许会因此重建。一种超光速的流体解释已经被数学物理学家提出, 按照流体力学对电磁场论的补充推导，只要把超光速部分的方程变一个符号， 存在超光速不会进入一个虚数空间。而是实实在在可以存在的双曲型物理系统。

中微子运行速度并未超过光速

3月16日,欧洲核子研究中心16日公布最新测量结果显示，去年9月“中微子振荡实验”中，中微子运行速度并未超过光速，原测量结果存在误差。

欧洲核子研究中心研究项目负责人塞尔吉奥·贝尔托卢奇通过公报向媒体证实，有证据显示，相关实验结果受到了测量误差干扰。贝尔托卢奇表示，欧洲核子研究中心将继续与意大利格兰萨索国家实验室合作，在今年5月进行新一轮“中微子振荡实验”，以期给出准确答案。

名词解释

中微子

中微子是一种极为神秘的物质，在科学界有“鬼粒子”之称。虽然中微子在宇宙广泛出现，但是极难探测得到，科学家对它所知不多，1934年才确定它的存在，直至最近才确认中微子有质量。中微子从星体核聚变中产生，太阳便是其中一个产生地点。中微子是一种基本粒子，不带电，质量极小，几乎不与其他物质作用，在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子，每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。

相对论

相对论，爱因斯坦的经典理论，是现代物理学基础理论之一，认为任何物质在真空中的速度无法超过光速。除非粒子不携带信息。

不变论

原理

真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。光速不变原理，在狭义相对论中，指的是无论在何种惯性系（惯性参照系）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299,792,458 米/秒。

事实

证明光速不变的四项事实。

(1) 恒星光行差。

(2) 恒星都是一个一个的小圆点。

(3) 恒星都静止。

(4) 太阳光迈克尔逊·莫雷实验。

证明方法

任意恒星光行差都长期保持不变，证明：光行差不随时间变化，所以光速也不随时间变化。所有恒星的光行差都为20.5″角距，证明：所有恒星的光速都相同。

《系统分析恒星光行差》中已经详细论证了“光速不变”，所以不再重复。

恒星都是一个一个的小圆点，证明：任意一个恒星的所有的光线的光速都相同，即没有不同光速的光线。

因为没有任何光速‘变化’的现象，所以只有采用‘反证法’。

设：某恒星发来两种光速的光线；光速为c的光线，用c表示；光速为C的光线，用C表示；光速c>C

因为c和C都是连续的，所以观测者能够同时接收到c和C；但观测者同时接收到的c和C,必然不是同时从恒星发出的。

因此设：c发出的时刻为零；C发出的时刻为t；恒星零时刻的位置为A；t时刻的位置为B；因恒星周日视运动角速度ω=15.0411″/秒，所以A、B之间的角距φ=ωt

再设：φ=10′（太阳直径的1/3)；恒星距离L=30光年。

则：t=φ/ω=10×60÷15.0411≈40（秒）

c传播的时间T1=L/c=30（年）≈86400×365=946080000（秒）

C传播的时间T2=L/C

据题意知：T2=T1+t=L/c+t=946080000+40=946080040（秒）

所以：C=L/T2=946080000c/946080040≈0.9999999577c≈299999.987（公里/秒）

即：如果φ=10′，则c——C=300000——299999.987=0.013（公里/秒）=13（米/秒）

也就是说：如果两条光线的光速差为13米/秒，则这颗距离为30光年的恒星，就同时在角距为10′的A和B两个位置上。

光速连续比间断变化的可能性大得多，如果恒星光速是在C和c的范围内连续变化的，则看起来，该恒星应该是：长度为10′角距的线段。

因为从未看到过：恒星具有多个位置和任何拉长的现象，所以结论正确。

恒星都静止，证明：所有恒星的光速都不随时间变化，都始终恒为常数c不变。这是因为如果光速不断变化，则看起来恒星必然是运动的。证明方法与上述类似，不再重复。

太阳光迈克尔逊·莫雷实验证明：太阳光的光速不变。

迈克尔逊·莫雷实验的依据是：光速=波长×频率

光波长和频率都是根据光干涉条纹确定的。根据‘杨氏双缝干涉实验’干涉条纹之间的间距，能够独立推算出‘光波长’，自然可确定‘光频率’。

这样推算确定的光波长和频率的乘积为常数，即不同颜色光的波长和频率的乘积相等；而且乘积数值等于检测的‘光速值’；从而充分证明：‘光速=波长×频率’成立。

迈克尔逊和莫雷通过长期多次分别检测，来自不同方向的阳光的光速，充分证明：阳光的光速不变。

论动体的电动力学片段

“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们定义如下：

1. 物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

2. 任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度V运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。“对于大于光速的速度，我们的讨论就变得毫无疑义了；在以后的讨论中，我们会发现，光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色。“由此，当υ=V时，W就变成无限大。正像我们以前的结果一样，超光速的速度没有存在的可能。”

其他

1981年，物理学家尼克·赫尔伯特（Nick Herbert）利用量子力学的特殊性质设计了一个超光速通讯系统。对它纠错的过程推进了我们对量子世界的全新理解。

赫尔伯特的系统叫做FLASH（闪电），是“first laser-amplified superluminal hookup”（第一台激光放大超光速传输器）的首字母缩写，它使用了一个向相反方向成对释放光子的光子源。这个计划利用了光子的偏振特性，即沿着它们所处的电场方向振动。当它们所处的电场沿水平方向（H）或是垂直方向（V）振动时，光子可能发生平面偏振；如果电场沿右螺旋（R）或左螺旋（L）方向振动，光子则可能发生圆偏振。

物理学家很早就知道，这两种偏振方式（平面或者圆）之间是密切相关的。平面偏振光可以用来产生圆偏振光，反之亦然。例如，一束水平偏振光由等量的右旋偏振光和左旋偏振光（L）以特殊的方式组成，同理一束右旋偏振光可以被分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光。这对于单个的光子也成立：例如，一个右旋偏振的光子的状态可以被分解为水平偏振和垂直偏振的特殊复合。如果对一个右旋状态的光子测量平面偏振而不是圆偏振，则发现水平偏振状态或垂直偏振状态的概率是相等的，这就是单粒子版本的薛定谔的猫。