物理学为什么不能研究超光速？
一切的基石：狭义相对论和光速不变原理
狭义相对论由爱因斯坦在1905年提出，它颠覆了牛顿力学中对时间、空间和运动的经典理解。其核心是两个基本原理：
1. 相对性原理： 物理定律在所有惯性参考系中都具有相同的形式。这意味着，无论你是在静止的实验室里做实验，还是在匀速直线运动的火车上做实验，物理定律的表现方式是一样的。你无法通过任何内部实验来判断自己是否在运动。
2. 光速不变原理： 在真空中的光速在所有惯性参考系中都是恒定不变的，与光源的运动状态无关。这就是我们常说的光速（c）是宇宙中的一个普适常数，大约是每秒299,792,458米。
超光速为何会打破相对论？
光速不变原理是理解一切的关键。一旦我们开始思考“超光速”，许多看似寻常的物理概念就会立刻陷入逻辑上的混乱和矛盾。
因果律的破坏： 这是最深刻的挑战。想象一下，如果一个物体能够以超光速运动，那么它就能在信息传播上超越光速。这意味着，在一个参照系中，我们可以看到一个事件（例如，你按下开灯按钮）发生在另一个事件（灯亮）之前，而在另一个参照系中，由于相对运动，灯亮的事件可能会发生在你按下按钮之前！这直接违背了“原因必须先于结果”的因果律。物理学最核心的追求之一就是理解和预测事件的发生顺序，因果律的破坏将使得整个物理学大厦崩塌。例如，你可能收到一个来自未来的信息，告诉你即将发生的某个事件，然后你采取行动阻止它，这在逻辑上是站不住脚的。
能量和动量的问题： 狭义相对论中的一个重要推论是物体的动能和质量会随着速度的增加而增加。具体来说，一个物体的总能量可以表示为 E = γmc²，其中 m 是静止质量，c 是光速，而 γ（伽马因子）是 γ = 1 / √(1 v²/c²)。
当物体的速度 v 趋近于光速 c 时，v²/c² 趋近于 1，分母 √(1 v²/c²) 趋近于 0。
因此，γ 因子会趋近于无穷大。
这意味着要将一个有静止质量的物体加速到光速，需要的能量是无限的。
而如果试图让它超越光速，那么 v²/c² 将大于 1，分母 √(1 v²/c²) 将变成一个虚数（或者说在实数范围内是无意义的）。这在数学上就意味着，要么需要无限的能量，要么就超出了我们现有物理模型的描述范围。
从另一个角度看，如果一个有静止质量的物体能够达到光速，它的能量也将是无限的。而超光速则会涉及到能量的“负无穷大”或者其他更奇特的、在物理上无法解释的数学结果。
参考系转换的困难： 相对论的核心在于描述不同惯性参考系之间的时空关系。速度是相对的，但光速是绝对的。如果我们允许超光速，那么不同参考系下描述同一事件的速度和时间关系将变得极其混乱，无法建立一个统一的、自洽的框架来描述物理现象。
那为什么我们不“研究”超光速？
这里的“研究”需要一个更精确的定义。物理学一直在努力探索宇宙的极限和未知领域。
理论探索与假设： 物理学家们确实会进行理论上的“思考”和“假设”，来探讨如果超光速存在，会带来怎样的后果，或者是否存在某种“间接”的、看似超光速但实际上并未违反相对论的现象。例如：
量子纠缠： 量子纠缠是一种奇特的现象，其中两个或多个粒子之间存在一种关联，无论它们相距多远。当你测量其中一个粒子的状态时，另一个粒子的状态会瞬间确定。但这并非信息超光速传递，因为你无法通过测量来控制或编码信息并将其发送出去。这种“关联”本身并不携带可利用的信息。
宇宙膨胀中的退行速度： 遥远的星系由于宇宙膨胀，其远离我们的速度可能超过光速。但这并非星系本身在空间中移动超光速，而是空间本身的膨胀导致了它们与我们之间的距离以极快的速度增加。它们局部的运动仍然不能超光速。
“概念”上的超光速： 有时在讨论某些理论模型时，例如某些关于量子场论或弦论的推测，可能会出现一些“超光速”的数学描述，但这些通常是在特定的抽象模型中，或者是在某些“有效理论”的框架下，而不是直接的物质或信息传递。一旦深入到具体的物理过程，仍然会受到相对论的约束。
实验验证的缺失： 物理学是建立在实验验证的基础上的。到目前为止，没有任何可靠的实验证据表明有任何物质或信息能够以超光速传播。所有试图进行超光速实验的尝试，要么失败了，要么其结果可以通过已知的物理定律来解释，并未证实超光速的存在。
总结
所以，物理学之所以“不能研究”超光速，并不是因为它不愿意，而是因为我们现有最成功的理论框架——狭义相对论——已经清楚地表明，超光速会导致严重的逻辑矛盾，特别是对因果律的破坏，以及能量和参考系描述上的困难。
我们一直在探索宇宙的边界，包括那些看似不可能的设想。但这些探索必须建立在自洽的理论框架和可验证的实验证据之上。在目前为止，超光速的设想无法满足这些基本要求。因此，物理学“研究”超光速的方式是：
1. 理论上分析其后果： 研究如果超光速存在，对现有物理理论会产生什么影响。
2. 寻找“可能”但未违背相对论的现象： 探索那些看似超光速但实际上可以通过现有理论解释的现象，如量子纠缠的关联性。
3. 对现有理论的边界进行测试： 通过精确的实验来检验相对论在极端条件下的有效性，以及是否存在其失效的迹象，从而为新的理论提供线索。
直到有新的理论框架能够容纳超光速的现象，并且有实验证据支持，否则超光速仍然是现代物理学中一个被严格禁止的“概念”。
网友意见
为什么会有不能研究的东西，研究什么不是看你心情吗，研究了会被不喜欢超光速的恐怖分子追杀吗？？超光速的著作又不是没有：
实际上，科学界主流媒体还真的报道过超光速现象，但是后来那个事件被证实是一个乌龙。
物理本质上是一门实验科学，所有的证据都需要来源于实验。哪怕你的理论再完美、公式再漂亮，一旦不符合实验结果，就会被摒弃。
那么为什么一般没有见到超光速的研究呢？因为没有任何严格可信的实验证据表明超光速存在啊！（更准确的说法是，信息的传递速度不可能超过光速）
科学界曾报道过中微子超光速[1]。2011年9月，OPERA研究小组报道了中微子的超光速运动现象，一时间引起了极大的讨论，有些人认为这可能会带来物理理论上的革命，但是更多科学家则是质疑实验的准确性，尽管研究小组声称实验非常可靠。
OPERA（英语：Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus）是一项旨在检测中微子振荡现象的实验。此项实验运用位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织超级质子同步加速器产生的高强度、高能量的CNGS（CERN Neutrinos to Gran Sasso）μ中微子束向730公里之外、位于意大利中部山区的格兰沙索国家实验室的地下实验室传送。
最终他们发现，是因为光纤缆线接触不良。将连接维修后，这问题不再发生。所以这则物理学史上的超光速的孤例，也被证明是有误的。所以，至今为止，还没有任何（包含信息传递的）超光速的可信实验证据。
最后我来讨论一下为何我一直在反复强调“包含信息传递”这件事情。实际上，不包含信息传递的超光速例子有很多。如果你本科学过相对论的话，相信很可能在课堂上老师就讨论过。
- 激光笔照射到月球上
假如你有一支激光笔可以释放出特别强的激光，以至于你可以将激光打到月球上。那么当你摆动这支激光笔时，在月球上的光束移动速度等于角速度乘以地月距离，很可能是大于光速的！（线速度=角速度✖距离）
但是这样的超光速是没有传递任何信息的——移动的光斑超过了光速，但是每次的光斑都不是之前的光斑的。你的激光笔的摆动（真正的信息）依然需要1.3秒（地月距离除以光速）才能传递到月球上。
我来具体解释一下。比如A/B相距1光年，那么A用激光笔照射到B那里需要1年的时间。这时A快速摆动激光笔，那么在B那边的光斑移动速度会超过光速，但是移动的仍然是1年前的光斑。
这是正儿八经的教学内容，不明白为什么还有的人说“学过大学物理就不会说出这话”。那是因为你只学过大学物理……北大物理学院近代物理的相对论课程中会提到这个激光笔的例子的。
我们来引申一下，加入不是激光笔，而是一个长达一光年的棍子呢？如果我快速扭动它，是否最远端可以超光速？答案是不能，因为固体内相对运动的传输速度是格波的速度，也就是声速。
2. 相速度
如果你做关于X光有关的科研的话，你可能会知道X光折射率往往是小于1的。这样一来，X光在物质中的传播速度岂不大于光速？这是不是超光速呢？
实际上，这是相速度[2]。相速度不传递任何信息，是可以超过光速的。而真正包含信息的群速度，在正常情况下，则不能超过光速。
另外，在一些非常特殊的情况下，比如反常色散，群速度是可以大于光速的。但是此时由于介质会强烈吸光，信号速度不再等于群速度，并且依然可以证明此时信号速度小于光速。
3. 量子纠缠
很多人也都听说过量子纠缠，听说过这是一种超距作用。两个出于纠缠态的粒子，哪怕已经分离到无穷远了，一旦其中一个粒子的状态塌缩，那么另一个也会瞬间塌缩。很多人还听说量子纠缠可以用于量子通信，那么是不是可以传递信息呢？比如《三体》中就有这样的内容。
实际上，量子纠缠的确可以认为是超光速的，但是量子纠缠本身并不传递任何信息。在量子通信中，虽然会用到量子纠缠，但是还是必须结合传统方式传递的信息才能复现结果的。而传统方式传递信息，则必然不会超过光速。所以，量子通讯也不会超光速，《三体》中的这部分也是有科学性错误的。
4. 宇宙暴涨理论
根据宇宙暴涨理论，在宇宙诞生的初期，有那么一段时间的膨胀速度超过了光速。关于这部分的细节，我就不太清楚了，只知道目前还有很多讨论和争议[3][4]，比如有人认为光速是可变的[5]。
参考
- ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/OPERA_(%E5%AF%A6%E9%A9%97)
- ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B8%E9%80%9F%E5%BA%A6
- ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E6%9A%B4%E8%84%B9
- ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E5%85%89%E9%80%9F#%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%AD%B8%E8%88%87%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%AD%B8
- ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E9%80%9F%E5%8F%AF%E8%AE%8A%E7%90%86%E8%AB%96
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