愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的原則之一是：沒(méi)有什么能比真空中的光速更快。光速被認(rèn)為是萬(wàn)物的通用速度極限，科學(xué)界大都接受這一規(guī)定。但對(duì)于科學(xué)而言，總會(huì)有一些敢于突破的科研人員跳出已有的視角，試圖去反駁、修正一些科學(xué)理論，或者至少找到其中的一個(gè)漏洞。光速也不例外。
光在真空中的傳播速度約為每秒 299,792 公里（每秒 186,282 英里）。2011 年 9 月，從事檢測(cè)中微子振蕩項(xiàng)目 (OPERA) 的物理學(xué)家在科學(xué)界掀起了一股狂潮，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，稱為中微子的亞原子粒子從瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）傳播到意大利拉奎拉附近的格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，比光提前大約 60 納秒到達(dá)。關(guān)于這些中微子如何真正打破光速，或者是有什么錯(cuò)誤導(dǎo)致不可能的結(jié)果，各種想法比比皆是。最后，人們發(fā)現(xiàn)是包括電纜松動(dòng)在內(nèi)的這些設(shè)備問(wèn)題導(dǎo)致了這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此，這一結(jié)論最終因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的不可靠性而不被認(rèn)可。因此，沒(méi)有必要推翻愛(ài)因斯坦的理論。
其他研究人員正試圖修正規(guī)則，而不是打破規(guī)則。事實(shí)上，彎曲時(shí)空是解釋如何實(shí)現(xiàn)超光速太空旅行的一種理論。這個(gè)理論認(rèn)為，時(shí)空可以在宇宙飛船的前方收縮，在飛船后方擴(kuò)張，而飛船將在一個(gè)本身運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)光速的曲率氣泡中保持靜止。這個(gè)概念最初是由墨西哥理論物理學(xué)家米格爾?阿爾庫(kù)比耶爾（Miguel Alcubierre）在 1994 年提出的，這在理論上是可能的，但需要宇宙量級(jí)的負(fù)能量來(lái)為這種現(xiàn)象提供動(dòng)力。后來(lái)，該理論被改進(jìn)為需要行星量級(jí)的負(fù)能量，然后再次被改進(jìn)為需要旅行者 1 號(hào)太空探測(cè)器量級(jí)的負(fù)能量。不幸的是，負(fù)能量必須來(lái)自難以獲得的奇異物質(zhì)，而我們目前只能在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)曲率驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行微型實(shí)驗(yàn)。這些理論背后的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是相對(duì)論定律，所以從理論上講，它不會(huì)違反規(guī)則。如果這項(xiàng)技術(shù)真的存在的話，它也可以用于比光速更慢的飛行，但比我們現(xiàn)在的速度快得多，這可能更實(shí)用。
太空旅行只是達(dá)到或超過(guò)光速的可能應(yīng)用之一。一些科學(xué)家正致力于實(shí)現(xiàn)超光速的目標(biāo)，為了以更快的速度傳輸數(shù)據(jù)。下面將介紹當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸速度和超光速信息的潛力。
數(shù)據(jù)能夠以光速傳播嗎？
目前，我們的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都通過(guò)銅線或光纜傳輸。即使我們通過(guò)手機(jī)以無(wú)線電波發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)線電波也是以光速傳輸，數(shù)據(jù)最終也會(huì)在某個(gè)時(shí)候進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸。長(zhǎng)途信息傳輸最常用的兩種銅線是雙絞線（最初用于電話，后來(lái)用于撥號(hào)上網(wǎng)和 DSL）和同軸電纜（最初用于有線電視，后來(lái)用于互聯(lián)網(wǎng)和電話）。這兩者中同軸電纜的速度更快。
上面關(guān)于光速的說(shuō)法中“真空中”一詞很重要。通過(guò)光纖的光速?zèng)]有通過(guò)真空的光速快。光在任何介質(zhì)中的移動(dòng)速度都慢于我們所熟知的光速這一基本物理常數(shù)。通過(guò)空氣時(shí)，兩者之間的差異可以忽略不計(jì)，但通過(guò)其他介質(zhì)（包括構(gòu)成大多數(shù)光纜核心的玻璃）光速會(huì)大大減慢。介質(zhì)的折射率是真空中的光速除以介質(zhì)中的光速。因此，如果你知道其中兩個(gè)數(shù)字，就可以計(jì)算出另一個(gè)。玻璃的折射率在 1.5 左右。如果將光速（大約每秒 300,000 公里，或每秒 186,411 英里）除以這個(gè)數(shù)字，則得到每秒約 200,000 公里（124,274 英里），這是光穿過(guò)玻璃的近似速度。一些光纖電纜由塑料制成，塑料的折射率更高，因此速度更低。
速度降低的部分原因是光的二相性質(zhì)。它同時(shí)具有粒子和波的屬性。光實(shí)際上是由稱為光子的粒子組成的，它們不會(huì)在電纜中直線運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)光子撞擊物質(zhì)分子時(shí)，它們會(huì)向各個(gè)方向散射。介質(zhì)對(duì)光的折射和吸收最終會(huì)導(dǎo)致一些能量和數(shù)據(jù)損失。這就是為什么信號(hào)只能依靠增強(qiáng)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，而不能無(wú)限期傳輸。然而，光的減慢并不全是壞消息。人們可以在光纖中引入雜質(zhì)，以控制光的速度并幫助有效地傳輸信號(hào)。
光纜仍然比銅線快得多，并且不容易受到電磁干擾。光纖的速度可以達(dá)到每秒幾百吉比特 (吉比特可近似理解為 GB)，甚至幾太比特 (TB)。家庭互聯(lián)網(wǎng)連接無(wú)法達(dá)到這樣的超高速，至少部分原因是許多家庭在整個(gè)區(qū)域共享線路，而且即使是使用光纖的網(wǎng)絡(luò)，在進(jìn)入家庭的最后一段通常也是銅線。但是，隨著光纖一直延伸到您的社區(qū)或家中，您可以獲得每秒 50 到 100 兆比特 (MB) 的數(shù)據(jù)傳輸速度，而普通 DSL 線路的數(shù)據(jù)傳輸速度為每秒 1 到 6 兆比特，電纜的數(shù)據(jù)傳輸速度約為每秒 25 兆比特。實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速度會(huì)因地點(diǎn)、運(yùn)營(yíng)商和所選計(jì)劃的不同而有很大差異。
還有其他因素會(huì)導(dǎo)致信號(hào)延遲，例如訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)或下載數(shù)據(jù)時(shí)所需的來(lái)回通信。這是指您的計(jì)算機(jī)和存放數(shù)據(jù)的服務(wù)器互相通信，以確保它們同步并且數(shù)據(jù)傳輸成功，這就會(huì)造成延遲，盡管是短暫而必要的延遲。數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x也會(huì)影響到達(dá)目的地所需的時(shí)間，而且數(shù)據(jù)到達(dá)目的地所經(jīng)過(guò)的任何硬件和電纜都可能存在額外的障礙。一個(gè)系統(tǒng)的速度取決于其最慢的組件，在看似（但并非）即時(shí)通信的時(shí)代，每一毫秒都很重要。
最近，通過(guò)減少干擾和其他技術(shù)，在銅線上以接近光纖的速度傳輸數(shù)據(jù)方面取得了突破。研究人員還致力于研究通過(guò)空氣中的光傳輸數(shù)據(jù)，例如使用燈泡連接 WiFi，或者在樓與樓之間傳輸激光束。同樣，光在空氣中的移動(dòng)速度確實(shí)以接近光速的速度移動(dòng)，但我們現(xiàn)在所擁有的技術(shù)還無(wú)法超過(guò)光速度極限。我們能實(shí)現(xiàn)真正的超光速傳輸嗎？
亞歷山大?格雷厄姆?貝爾的無(wú)線電話
使用光纜并不是利用光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝淮螄L試。亞歷山大?格雷厄姆?貝爾（Alexander Graham Bell）自己發(fā)明了光電電話，它本質(zhì)上是第一部無(wú)線電話，但使用的是光而不是現(xiàn)代手機(jī)使用的無(wú)線電波。它的工作原理是將聲音耦合到鏡子上，從而引起鏡子振動(dòng)。來(lái)自太陽(yáng)的光從振動(dòng)的鏡子上反射到硒接收器中，硒接收器將其轉(zhuǎn)換為電流，用于后續(xù)的電話傳輸（他最著名的發(fā)明）。它的主要缺陷是必須要陽(yáng)光直射，因此云層或其他物體可能會(huì)阻擋信號(hào)。更不用說(shuō)在半夜打電話了。但它確實(shí)有一些作用，并且是光纖的前身。
超光速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄?/h2>
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家聲稱，他們已經(jīng)使用一種叫做四波混合的方式實(shí)現(xiàn)了量子數(shù)據(jù)的超光速傳輸，順便說(shuō)一句，這種現(xiàn)象被認(rèn)為是光纖線路中的一種干涉形式。該實(shí)驗(yàn)包括發(fā)送一個(gè)短的 200 納秒種子脈沖通過(guò)加熱的銣蒸氣，同時(shí)發(fā)送另一個(gè)不同頻率的泵浦光束來(lái)放大種子脈沖。來(lái)自兩束光束的光子與蒸氣相互作用，產(chǎn)生了第三束光子。顯然，放大的種子脈沖和新產(chǎn)生的脈沖的峰值都能以比在真空中以光速傳播的參考光束更快的速度輸出。他們報(bào)告的速度差異比光在真空中的速度快 50 到 90 納秒。他們甚至宣稱能夠通過(guò)改變輸入種子脈沖的失諧和功率來(lái)調(diào)整脈沖的速度。
另一種正在研究的快速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是量子隱形傳態(tài)，它依賴于糾纏對(duì)的存在：兩個(gè)粒子彼此協(xié)調(diào)，如果你測(cè)量其中一個(gè)粒子，另一個(gè)粒子的性質(zhì)與你在第一個(gè)粒子中測(cè)量得到的性質(zhì)相同，無(wú)論它們彼此之間的距離多遠(yuǎn)。這還需要第三個(gè)粒子，用于攜帶人們想要傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)。從某種意義上說(shuō)，人們用激光將相互糾纏的一對(duì)粒子中的一個(gè)傳送到其他地方。它并不是真的傳輸光子，而是將新光子變成原始光子的副本。糾纏對(duì)中的一個(gè)光子可以與第三個(gè)光子進(jìn)行比較，并找到它們的相似之處或不同之處，然后將這些信息傳送到另一個(gè)地方，并用于與糾纏對(duì)中的另一個(gè)光子進(jìn)行比較，從而讀取數(shù)據(jù)。這聽(tīng)起來(lái)像是可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)傳輸，但事實(shí)并非如此。激光束只能以光速傳播。但是，這具有潛在的應(yīng)用，如果我們發(fā)明了量子計(jì)算機(jī)的話，可以通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送加密數(shù)據(jù)，以及將量子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。它比任何超光速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膰L試都更進(jìn)一步。在這一點(diǎn)上，它可以在數(shù)英里范圍內(nèi)工作，研究人員還在試圖增加傳送距離。
關(guān)于有意義的信息是否可以比光速傳播得更快，目前的答案是否定的。我們只達(dá)到了以可能超過(guò)光速的速度移動(dòng)幾個(gè)量子粒子的程度，前提是如果后續(xù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)證明這些粒子速度的測(cè)量是正確的。要想獲得實(shí)際適用的數(shù)據(jù)傳輸形式，你必須能夠將有組織的、有意義的、未被破壞的數(shù)據(jù)比特發(fā)送到另一臺(tái)可以解讀它的機(jī)器上。否則，世界上最快的傳輸也毫無(wú)意義。但可以肯定的是，如果光速的極限被打破，我們將其應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臅r(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于星際旅行。到時(shí)，人類(lèi)將能以最快的速度觀看到最高質(zhì)量的電視節(jié)目，或?qū)崿F(xiàn)最低延遲的互聯(lián)網(wǎng)沖浪。
作者：Bernadette Johnson
翻譯：掃地僧
審校：利有攸往
原文鏈接：Can information travel faster than light?
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：B. Johnson
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