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愛因斯坦狹義相對論的原則之一 是：沒有什麽能比真空中的光速更快。光速被認為是萬物的通用速度極限，科學界大都接受這一規定。但對於科學而言，總會有一些敢於突破的科研人員跳出已有的視角，試圖去反駁、修正一些科學理論，或者至少找到其中的一個漏洞 。光速也不例外。
在探索頻道的「任務發現」中，人們了解到艾拔·愛因斯坦（Albert Einstein）如何發現時間是相對的，這意味著當物體以光速或接近光速行進時，距離會拉長，時間會變慢。圖片來源：探索頻道
光在真空中的傳播速度約為每秒 299,792 公裏 （每秒 186,282 英裏）。2011 年 9 月，從事檢測微中子振蕩專案(OPERA)的物理學家在科學界掀起了一股狂潮，他們的實驗結果表明，稱為微中子的亞原子粒子從瑞士日內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家實驗室，比光提前大約 60 納秒到達。關於這些微中子如何真正打破光速，或者是有什麽錯誤導致不可能的結果，各種想法比比皆是。最後，人們發現是包括電纜松動在內的這些器材問題 導致了這一實驗結果，因此，這一結論最終因為實驗的不可靠性而不被認可。因此，沒有必要推翻愛因斯坦的理論。
其他研究人員正試圖修正規則 ，而不是打破規則。事實上，彎曲時空是解釋如何實作超光速太空旅行的一種理論。這個理論認為，時空可以在宇宙飛船的前方收縮，在飛船後方擴張，而飛船將在一個本身運動速度超過光速的曲率氣泡中保持靜止。這個概念最初是由墨西哥理論物理學家米格爾·阿爾庫比耶爾（Miguel Alcubierre）在1994年提出的，這在理論上是可能的，但需要宇宙量級的負能量來為這種現象提供動力 。後來，該理論被改進為需要行星量級的負能量，然後再次被改進為需要旅行者 1 號太空探測器量級的負能量。不幸的是，負能量必須來自難以獲得的奇異物質，而我們目前只能在實驗室裏對曲率驅動器進行微型實驗。這些理論背後的數學基礎是相對論定律，所以從理論上講，它不會違反規則。如果這項技術真的存在的話，它也可以用於比光速更慢的飛行，但比我們現在的速度快得多，這可能更實用。
太空旅行只是達到或超過光速的可能套用之一 。一些科學家正致力於實作超光速的目標，為了以更快的速度傳輸數據。下面將介紹當前的數據傳輸速度和超光速資訊的潛力。
數據能夠以光速傳播嗎？
目前，我們的大部份數據都透過銅線或光纜傳輸。即使我們透過手機以無線電波發送數據，無線電波也是以光速傳輸 ，數據最終也會在某個時候進入互聯網的有線網絡傳輸。長途資訊傳輸最常用的兩種銅線是雙絞線（最初用於電話，後來用於撥號上網和 DSL）和同軸電纜（最初用於有線電視，後來用於互聯網和電話）。這兩者中同軸電纜的速度更快。但比同軸電纜更快的是光纜。光纜不是使用銅纜以電訊號的形式傳輸數據，而是以光脈沖的形式傳輸數據。
上面關於光速的說法中「真空中」 一詞很重要。透過光纖的光速沒有透過真空的光速快。光在任何介質中的移動速度都慢於我們所熟知的光速這一基本物理常數。透過空氣時，兩者之間的差異可以忽略不計，但透過其他介質（包括構成大多數光纜核心的玻璃）光速會大大減慢 。介質的折射率是真空中的光速除以介質中的光速。因此，如果你知道其中兩個數碼，就可以計算出另一個。玻璃的折射率在1.5左右。如果將光速（大約每秒300,000公裏，或每秒186,411英裏）除以這個數碼，則得到每秒約200,000公裏（124,274英裏），這是光穿過玻璃的近似速度。一些光纖電纜由塑膠制成，塑膠的折射率更高，因此速度更低。
速度降低的部份原因是光的二相性質 。它同時具有粒子和波的內容 。光實際上是由稱為光子的粒子組成的，它們不會在電纜中直線運動的。當光子撞擊物質分子時，它們會向各個方向散射。介質對光的折射和吸收最終會導致一些能量和數據損失。這就是為什麽訊號只能依靠增強光訊號實作遠距離傳輸，而不能無限期傳輸。然而，光的減慢並不全是壞訊息。人們可以在光纖中引入雜質 ，以控制光的速度並幫助有效地傳輸訊號。
光纜仍然比銅線快得多 ，並且不容易受到電磁幹擾 。光纖的速度可以達到每秒幾百吉位元(吉位元可近似理解為GB)，甚至幾太位元(TB)。家庭互聯網連線無法達到這樣的超高速，至少部份原因是許多家庭在整個區域共享路線，而且即使是使用光纖的網絡，在進入家庭的最後一段通常也是銅線。但是，隨著光纖一直延伸到您的社區或家中，您可以獲得每秒 50 到 100 兆位元(MB)的數據傳輸速度，而普通 DSL 路線的數據傳輸速度為每秒 1 到 6 兆位元，電纜的數據傳輸速度約為每秒 25 兆位元。實際數據傳輸速度會因地點、營運商和所選計劃的不同而有很大差異。
還有其他因素會導致訊號延遲 ，例如存取網頁或下載數據時所需的來回通訊。這是指您的電腦和存放數據的伺服器互相通訊，以確保它們同步並且數據傳輸成功，這就會造成延遲，盡管是短暫而必要的延遲。數據傳輸的距離也會影響到達目的地所需的時間，而且數據到達目的地所經過的任何硬件和電纜都可能存在額外的障礙。一個系統的速度取決於其最慢的元件，在看似（但並非）即時通訊的時代，每一毫秒都很重要。
最近，透過減少幹擾和其他技術，在銅線上以接近光纖的速度傳輸數據方面取得了突破。研究人員還致力於研究透過空氣中的光傳輸數據，例如使用燈泡連線WiFi，或者在樓與樓之間傳輸激光束。同樣，光在空氣中的移動速度確實以接近光速的速度移動，但我們現在所擁有的技術還無法超過光速度極限。我們能實作真正的超光速傳輸嗎？
亞歷山大·格雷厄姆·貝爾的無 線電話
使用光纜並不是利用光進行數據傳輸的第一次嘗試 。亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（Alexander Graham Bell）自己發明了光電電話，它本質上是第一部無線電話，但使用的是光而不是現代手機使用的無線電波。它的工作原理是將聲音耦合到鏡子上，從而引起鏡子振動。來自太陽的光從振動的鏡子上反射到硒接收器中，硒接收器將其轉換為電流，用於後續的電話傳輸（他最著名的發明）。它的主要缺陷是必須要陽光直射，因此雲層或其他物體可能會阻擋訊號。更不用說在半夜打電話了。但它確實有一些作用，並且是光纖的前身。
超光速數據傳輸的可能性
美國國家標準與技術研究院（NIST）的科學家聲稱，他們已經使用一種叫做四波混合 的方式實作了量子數據的超光速傳輸，順便說一句，這種現象被認為是光纖路線中的一種幹涉形式。該實驗包括發送一個短的 200 納秒種子脈沖透過加熱的銣蒸氣，同時發送另一個不同頻率的泵浦光束來放大種子脈沖。來自兩束光束的光子與蒸氣相互作用，產生了第三束光子。顯然，放大的種子脈沖和新產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。他們甚至宣稱能夠透過改變輸入種子脈沖的失諧和功率來調整脈沖的速度。
該圖顯示了四波混合的過程。激光的種子脈沖與泵浦光束一起被送入含有銣原子蒸氣的加熱池中，從而放大種子脈沖並使其能夠實作超光速。圖片由NIST提供
另一種正在研究的快速數據傳輸技術是量子隱形傳態 ，它依賴於纏結對的存在：兩個粒子彼此協調，如果你測量其中一個粒子，另一個粒子的性質與你在第一個粒子中測量得到的性質相同，無論它們彼此之間的距離多遠。這還需要第三個粒子，用於攜帶人們想要傳輸的實際數據。從某種意義上說，人們用激光將相互纏結的一對粒子中的一個傳送到其他地方。它並不是真的傳輸光子，而是將新光子變成原始光子的副本 。纏結對中的一個光子可以與第三個光子進行比較，並找到它們的相似之處或不同之處，然後將這些資訊傳送到另一個地方，並用於與纏結對中的另一個光子進行比較，從而讀取數據。這聽起來像是可以實作即時傳輸，但事實並非如此。激光束只能以光速傳播。但是，這具有潛在的套用，如果我們發明了量子電腦的話，可以透過衛星發送加密數據，以及將量子電腦聯網。它比任何超光速數據傳輸的嘗試都更進一步。在這一點上，它可以在數英裏範圍內工作，研究人員還在試圖增加傳送距離。
關於有意義的資訊是否可以比光速傳播得更快，目前的答案是否定的 。我們只達到了以可能超過光速的速度移動幾個量子粒子的程度，前提是如果後續實驗的數據證明這些粒子速度的測量是正確的。要想獲得實際適用的數據傳輸形式，你必須能夠將有組織的、有意義的、未被破壞的數據位元發送到另一台可以解讀它的機器上 。否則，世界上最快的傳輸也毫無意義 。但可以肯定的是，如果光速的極限被打破，我們將其套用於互聯網傳輸的時間將遠遠早於星際旅行。到時，人類將能以最快的速度觀看到最高質素的電視節目，或實作最低延遲的互聯網沖浪。
作者：Bernadette Johnson
轉譯：掃地僧
審校：利有攸往
原文連結：Can information travel faster than light?
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轉譯內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
