光速真的不能被超越嗎？

在現代物理學裡，簡短的答案是：對於在空間中移動的物質、能量或可用資訊來說，目前沒有已知的東西能夠超越真空中的光速。這個速度通常寫作 c，NIST（美國國家標準暨技術研究院）給出的確切數值是每秒 299,792,458 公尺。

關鍵字眼是「在真空中」。光穿過水、玻璃或空氣時會變慢，但這並不會改變宇宙速限，只代表在物質中量到的數字不一樣。相對論所說的極限，是光在真空中的速度。

狹義相對論指出，任何一個處於慣性參考系的觀察者，量到的真空光速都相同，無論光源本身移動得多快。這件事本身就已經很奇怪。如果一列火車往前拋出一顆球，站在地面上的人會把火車的速度和球的速度加起來；但光並不是這樣運作。一架高速太空船上的手電筒，射出的光仍然以 c 前進，而不是 c 加上太空船的速度。

對於有質量的物體來說，問題出在能量。OpenStax 說明，當一個有質量的物體越接近 c，它的相對論性動能會無限增大。用白話講：每多推一把，換到的速度增量就越少。要真正達到光速，一個有質量的物體會需要無限大的能量，而這是物理上拿不到的。

不過，粒子倒是可以非常接近光速。NASA（美國國家航空暨太空總署）描述過某些宇宙射線可以達到光速的約 99.6%。粒子加速器也能把微小的粒子推到接近 c。「接近」這兩個字在這裡承擔了很多分量，這就像走到牆邊的一半，再走剩下距離的一半，然後再走一半，你可以近到荒謬的程度，但只要你有質量，規則就說你永遠跨不過那條線。

那些看起來比光還快的現象呢？有些例子其實並沒有讓物質、能量或資訊以超過 c 的速度傳遞。杜克大學物理系（Duke Physics）給了一個簡單的例子：把一道雷射光點掃過月球表面，這個光點的移動速度可以超過 c，但月球的一端並沒有把任何資訊傳遞到另一端。光點只是一種圖樣，而不是橫越月表往旁邊狂奔的訊號。

宇宙學裡也有一些聽起來像漏洞的想法。舉例來說，Davis 與 Lineweaver 把「超光速退行速度」描述成廣義相對論下膨脹宇宙圖像的一部分。這跟一艘太空船在空間中局部地超越一道光束，並不是同一回事。

所以「沒有東西能跑得比光快」是個好用的口訣，但更精確的版本是：沒有任何有質量的物體、能量訊號或可用資訊，能在真空中局部地超越 c。與其把光速想像成路上跑最快的那台車，不如把它想成一條規則，用來定義因果關係這條「路」本身可以是什麼樣子。

參考資料

1. Meet the Constants – NIST（認識這些常數－NIST）
2. Three Ways to Travel at (Nearly) the Speed of Light – NASA（以（接近）光速旅行的三種方式－NASA）
3. 10.1 Postulates of Special Relativity – OpenStax Physics（10.1 狹義相對論的公設－OpenStax 物理學）
4. 5.9 Relativistic Energy – OpenStax University Physics Volume 3（5.9 相對論性能量－OpenStax 大學物理第三卷）
5. DOE Explains…Relativity – U.S. Department of Energy（DOE 解釋…相對論－美國能源部）
6. Fast-Light Tutorial – Duke University Department of Physics（快光教學－杜克大學物理系）
7. Superluminal Recession Velocities – arXiv（超光速退行速度－arXiv）

延伸閱讀

• 為什麼在接近光速時時間會變慢？
• 空間本身可以膨脹得比光還快嗎？
• 為什麼光子沒有靜止質量？
• 如果一艘太空船以 99.9% 光速前進，會發生什麼事？
• 為什麼光速被寫進公尺的定義裡？