根據(jù)狹義相對(duì)論，光速被視為宇宙速度的極限，任何具有靜質(zhì)量的物體都無(wú)法達(dá)到或超越這一速度。這是因?yàn)椋S著物體速度的增加，其質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)增大，當(dāng)速度趨近于光速時(shí)，質(zhì)量將趨于無(wú)窮大，而推動(dòng)一個(gè)質(zhì)量無(wú)窮大的物體所需的能量同樣無(wú)窮無(wú)盡，這顯然是現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

這一理論，不僅在理論層面上邏輯嚴(yán)密，而且在無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)中得到了驗(yàn)證，成為了現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石之一。

然而，科學(xué)的發(fā)展總是充滿了驚喜與挑戰(zhàn)。

在看似堅(jiān)不可摧的 “光速極限” 壁壘面前，大自然卻悄然展現(xiàn)出一些令人匪夷所思的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象似乎在公然挑戰(zhàn)著愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，暗示著宇宙中或許還存在著我們尚未完全理解的速度奧秘。

宇宙膨脹速度超光速。

根據(jù)目前被廣泛接受的宇宙大爆炸理論，約 138 億年前，一個(gè)溫度極高、密度極大的奇點(diǎn)發(fā)生了大爆炸，自此，宇宙開(kāi)啟了永不停歇的膨脹之旅 。

從那以后，宇宙空間如同一個(gè)被不斷吹氣的氣球，持續(xù)且快速地?cái)U(kuò)張著。這種膨脹并非是緩慢而溫和的，而是以一種遠(yuǎn)超光速的速度在進(jìn)行。這一結(jié)論乍聽(tīng)之下，似乎與愛(ài)因斯坦的相對(duì)論背道而馳，但實(shí)際上，它有著堅(jiān)實(shí)的觀測(cè)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

科學(xué)家通過(guò)對(duì)宇宙微波背景輻射的精確測(cè)量，以及對(duì)遙遠(yuǎn)星系退行速度的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，而且距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，其退行速度越快。

例如，當(dāng)我們觀測(cè)那些距離地球數(shù)十億光年甚至更遠(yuǎn)的星系時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們正以驚人的速度遠(yuǎn)離我們，這個(gè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了光速。這一現(xiàn)象，就如同在一個(gè)不斷膨脹的氣球表面上，相距越遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)，它們相互遠(yuǎn)離的速度就越快。

如果我們簡(jiǎn)單地計(jì)算一下宇宙的年齡與可觀測(cè)宇宙的直徑，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的矛盾之處。宇宙年齡約為 138 億年，按照光速不變?cè)恚庠谶@段時(shí)間內(nèi)最多只能傳播 138 億光年的距離。

然而，實(shí)際觀測(cè)到的可觀測(cè)宇宙直徑卻達(dá)到了驚人的 930 億光年。這一巨大的差距，只能用宇宙超光速膨脹來(lái)解釋。也就是說(shuō)，在宇宙演化的過(guò)程中，空間的膨脹速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了光在其中傳播的速度，使得宇宙在有限的時(shí)間內(nèi)膨脹到了如此巨大的規(guī)模。

那么，為什么宇宙膨脹速度可以超越光速，卻不違反相對(duì)論呢？這是因?yàn)橄鄬?duì)論所限制的 “光速不可超越”，是針對(duì)物質(zhì)、能量和信息在空間中的運(yùn)動(dòng)速度而言的。而宇宙膨脹的本質(zhì)，是空間自身的擴(kuò)張，并不涉及物質(zhì)在空間中的高速運(yùn)動(dòng)，也沒(méi)有傳遞任何信息。

打個(gè)比方，把宇宙想象成一個(gè)巨大的氣球，星系就像是氣球表面上的斑點(diǎn)。當(dāng)氣球膨脹時(shí)，斑點(diǎn)之間的距離會(huì)隨著氣球的膨脹而增大，但斑點(diǎn)本身并沒(méi)有在氣球表面上快速移動(dòng)。同樣，宇宙中的星系隨著空間的膨脹而相互遠(yuǎn)離，其本身并沒(méi)有以超光速運(yùn)動(dòng)，所以宇宙膨脹超光速并不違背相對(duì)論。

第二，量子糾纏。

量子糾纏是指當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)微觀粒子發(fā)生相互作用后，它們便會(huì)緊密地聯(lián)系在一起，形成一種特殊的量子態(tài)。在這種狀態(tài)下，這些粒子的屬性不再是彼此獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)、相互依存，仿佛成為了一個(gè)不可分割的整體。

最為神奇的是，無(wú)論這些糾纏粒子之間相隔多遠(yuǎn)的距離，哪怕是從宇宙的一端到另一端，當(dāng)其中一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，另一個(gè)粒子也會(huì)在瞬間做出相應(yīng)的變化，這種變化是超距的、瞬時(shí)的，仿佛它們之間存在著一種超越時(shí)空的神秘聯(lián)系，完全無(wú)視了空間距離的限制。

為了更形象地理解量子糾纏，我們可以想象有一對(duì)特殊的骰子，這對(duì)骰子被一種神秘的力量 “糾纏” 在一起。當(dāng)我們投擲其中一個(gè)骰子，得到一個(gè)確定的點(diǎn)數(shù)時(shí)，另一個(gè)骰子會(huì)立刻顯示出與之對(duì)應(yīng)的特定點(diǎn)數(shù) 。

在現(xiàn)實(shí)世界的常識(shí)中，這種現(xiàn)象是難以想象的，因?yàn)閮蓚€(gè)骰子之間并沒(méi)有直接的物理連接，也不存在能夠瞬間傳遞信息的機(jī)制，但在量子世界里，量子糾纏的粒子就如同這對(duì)神奇的骰子，展現(xiàn)出了這種超越常理的關(guān)聯(lián)。

在微觀世界中，科學(xué)家們通過(guò)一系列精妙的實(shí)驗(yàn)成功地驗(yàn)證了量子糾纏的存在。以光子糾纏實(shí)驗(yàn)為例，研究人員利用特殊的晶體，將一個(gè)光子分裂成兩個(gè)相互糾纏的光子。

隨后，他們把這兩個(gè)糾纏光子分別發(fā)送到相距甚遠(yuǎn)的兩個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。令人驚奇的是，當(dāng)對(duì)其中一個(gè)光子進(jìn)行測(cè)量，使其狀態(tài)確定時(shí)，另一個(gè)光子的狀態(tài)也會(huì)在同一瞬間發(fā)生相應(yīng)的變化，而且這種變化幾乎是在瞬間完成的，就好像兩個(gè)光子之間存在著一種無(wú)形的、超光速的 “通信” 渠道，能夠即時(shí)傳遞彼此的狀態(tài)信息 。

根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)顯示，量子糾纏的作用速度至少比光速快 10000 倍，這還只是速度下限，從理論上來(lái)說(shuō)，這種感應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的 。然而，這一超光速現(xiàn)象卻并不違反相對(duì)論。

這是因?yàn)椋M管量子糾纏中的粒子狀態(tài)變化呈現(xiàn)出超光速的特性，但它們之間并沒(méi)有傳遞任何實(shí)際的信息。根據(jù)相對(duì)論，光速是信息傳遞速度的上限，而量子糾纏并沒(méi)有打破這一限制。例如，在量子密鑰分發(fā)中，雖然糾纏粒子的狀態(tài)能瞬間相互影響，但我們無(wú)法利用這種特性來(lái)超光速傳遞具體的信息內(nèi)容，它更多地是被用于保障通信的安全性，通過(guò)量子態(tài)的關(guān)聯(lián)來(lái)檢測(cè)信息是否被竊取。

量子糾纏這種神奇的特性，為量子通信和量子計(jì)算等前沿領(lǐng)域開(kāi)辟了廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)在量子通信領(lǐng)域取得了一系列舉世矚目的成果，如 “墨子號(hào)” 量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射與應(yīng)用 。

2017 年，“墨子號(hào)” 實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)，兩個(gè)量子糾纏光子被分發(fā)到相距超過(guò) 1200 公里的距離后，仍可繼續(xù)保持其量子糾纏的狀態(tài)，這一成果為構(gòu)建全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2025 年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等國(guó)內(nèi)外單位共同完成實(shí)驗(yàn)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)量子微納衛(wèi)星與小型化、可移動(dòng)地面站之間的實(shí)時(shí)星地量子密鑰分發(fā)，在中國(guó)和南非相隔 12900 多公里的距離上建立了量子密鑰，完成對(duì)圖像數(shù)據(jù) “一次一密” 加密和傳輸，單次衛(wèi)星通過(guò)期間實(shí)現(xiàn)了多達(dá) 100 萬(wàn)比特的安全密鑰共享 。這些成果不僅展示了我國(guó)在量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，也讓人們看到了量子糾纏在未來(lái)通信領(lǐng)域的巨大潛力。

第三，蟲(chóng)洞。

蟲(chóng)洞，又稱愛(ài)因斯坦－羅森橋，其概念最早源于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。

在廣義相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦提出時(shí)空并非是絕對(duì)平坦和固定不變的，而是可以被物質(zhì)和能量彎曲和扭曲。當(dāng)這種扭曲達(dá)到一定程度時(shí)，就有可能形成一種連接宇宙中兩個(gè)不同時(shí)空點(diǎn)的特殊通道，這便是蟲(chóng)洞。

1935 年，愛(ài)因斯坦和他的助手納森?羅森在研究廣義相對(duì)論方程時(shí)，首次從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出了蟲(chóng)洞的存在，因此蟲(chóng)洞也被稱為 “愛(ài)因斯坦 - 羅森橋” 。從理論上來(lái)說(shuō)，蟲(chóng)洞就像是一個(gè)時(shí)空的捷徑，能夠讓我們?cè)谒查g跨越極其遙遠(yuǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的瞬間穿越。

為了更形象地理解蟲(chóng)洞，我們可以將宇宙時(shí)空想象成一張巨大的二維平面。

假設(shè)在這個(gè)平面上有兩個(gè)點(diǎn) A 和 B，它們?cè)诔Ｒ?guī)的時(shí)空路徑下相距非常遙遠(yuǎn)，從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)需要花費(fèi)漫長(zhǎng)的時(shí)間。然而，當(dāng)蟲(chóng)洞出現(xiàn)時(shí)，就如同在這張平面上打了一個(gè) “洞”，將 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)直接連接了起來(lái)。

通過(guò)這個(gè)蟲(chóng)洞，原本遙遠(yuǎn)的距離被瞬間拉近，就好像從蘋果的一端直接穿過(guò)內(nèi)部到達(dá)另一端，而無(wú)需沿著蘋果的表面繞行，大大縮短了兩點(diǎn)之間的距離 。

這就意味著，借助蟲(chóng)洞，我們可以在極短的時(shí)間內(nèi)跨越數(shù)光年甚至數(shù)十億光年的星際距離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超光速的 “間接超光速” 旅行。雖然我們?cè)谙x(chóng)洞內(nèi)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度并沒(méi)有超過(guò)光速，但通過(guò)蟲(chóng)洞這條捷徑，我們能夠比光更快地到達(dá)目的地，這無(wú)疑為人類探索宇宙的深處提供了一種全新的可能性。

然而，蟲(chóng)洞目前還僅僅停留在理論階段，雖然廣義相對(duì)論從數(shù)學(xué)模型上為蟲(chóng)洞的存在提供了可能，但在現(xiàn)實(shí)世界中，我們尚未發(fā)現(xiàn)任何蟲(chóng)洞存在的直接證據(jù) 。而且，要使蟲(chóng)洞從理論走向現(xiàn)實(shí)，還面臨著諸多難以逾越的難題。

首先，蟲(chóng)洞的形成機(jī)制仍然是一個(gè)未解之謎。雖然理論上物質(zhì)和能量對(duì)時(shí)空的極端扭曲可以產(chǎn)生蟲(chóng)洞，但在實(shí)際的宇宙環(huán)境中，究竟需要怎樣的條件才能促使蟲(chóng)洞的形成，我們至今一無(wú)所知。宇宙中的物質(zhì)分布和能量狀態(tài)極其復(fù)雜，要達(dá)到形成蟲(chóng)洞所需的那種極端條件，似乎是一件極其困難的事情。

其次，蟲(chóng)洞的穩(wěn)定性也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。根據(jù)目前的理論推測(cè)，蟲(chóng)洞可能是極其不穩(wěn)定的，稍有擾動(dòng)便會(huì)迅速崩塌。這是因?yàn)橄x(chóng)洞內(nèi)部存在著強(qiáng)大的引力場(chǎng)，這種引力場(chǎng)會(huì)對(duì)蟲(chóng)洞的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的壓力，使得蟲(chóng)洞很容易發(fā)生變形和坍塌 。就好像一個(gè)脆弱的橋梁，難以承受外界的壓力和干擾，隨時(shí)都有垮塌的危險(xiǎn)。

為了讓蟲(chóng)洞保持穩(wěn)定，科學(xué)家們提出了需要一種具有負(fù)能量密度和負(fù)壓的奇異物質(zhì)來(lái)支撐蟲(chóng)洞的結(jié)構(gòu)。然而，這種奇異物質(zhì)在現(xiàn)實(shí)中是否存在，以及如何獲取它們，目前仍然是未知數(shù)。

此外，維持一個(gè)可供人類通過(guò)的蟲(chóng)洞所需的能量也是一個(gè)天文數(shù)字。根據(jù)計(jì)算，穩(wěn)定一個(gè)直徑僅為 1 厘米的蟲(chóng)洞，所需的能量就相當(dāng)于整個(gè)太陽(yáng)系在 100 億年內(nèi)釋放的總能量 。如此巨大的能量需求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類目前的科技水平和能源利用能力。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，我們似乎很難獲得如此龐大的能量來(lái)維持蟲(chóng)洞的穩(wěn)定。

第四，曲速引擎。

從科學(xué)原理的角度來(lái)看，曲速引擎的工作機(jī)制基于愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論中時(shí)空可彎曲的理論。其核心在于通過(guò)對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)的巧妙操控，實(shí)現(xiàn)超光速的航行效果 。

具體來(lái)說(shuō)，曲速引擎的運(yùn)作是利用強(qiáng)大的能量，使飛船前方的時(shí)空發(fā)生收縮，而后方的時(shí)空則進(jìn)行擴(kuò)張，從而在飛船周圍形成一個(gè)被稱為 “曲速泡” 的特殊時(shí)空區(qū)域 。在這個(gè)曲速泡中，飛船就如同置身于一個(gè)被時(shí)空包裹的 “小宇宙”，它與周圍的時(shí)空相對(duì)靜止，而整個(gè)曲速泡則以超光速的速度在宇宙中移動(dòng) 。

這就好比是在一個(gè)巨大的傳送帶上，飛船靜止地放置在傳送帶上，而傳送帶本身以高速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)著飛船快速前進(jìn) 。通過(guò)這種方式，曲速引擎巧妙地避開(kāi)了狹義相對(duì)論中物體不能超越光速的限制，因?yàn)轱w船實(shí)際上并沒(méi)有在常規(guī)的時(shí)空中進(jìn)行超光速運(yùn)動(dòng)，而是隨著被扭曲的時(shí)空一起 “滑行” 。

這種獨(dú)特的推進(jìn)方式，使得曲速引擎成為了實(shí)現(xiàn)星際旅行的理想方案 。想象一下，如果人類能夠掌握曲速引擎技術(shù)，那么前往遙遠(yuǎn)的星系將不再是遙不可及的夢(mèng)想 。以距離地球約 4.22 光年的比鄰星為例，目前人類最快的飛行器 “旅行者 1 號(hào)” 以約 17 千米 / 秒的速度飛行，需要數(shù)萬(wàn)年才能抵達(dá) 。

而如果使用曲速引擎，假設(shè)達(dá)到 9.99 級(jí)曲速，速度接近光速的 10000 倍，那么只需短短幾個(gè)小時(shí)就能輕松抵達(dá) 。這將極大地拓展人類的探索范圍，讓我們能夠深入宇宙的各個(gè)角落，探索那些未知的星球和神秘的天體 。

盡管曲速引擎的理論為人類的星際旅行帶來(lái)了希望，但從理論走向現(xiàn)實(shí)，其間存在著巨大的鴻溝，面臨著諸多嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn) 。根據(jù)目前的理論計(jì)算，要實(shí)現(xiàn)曲速引擎所需要的能量是極其巨大的 。科學(xué)家們估算，驅(qū)動(dòng)曲速引擎所需的能量至少要達(dá)到太陽(yáng)總能量的 10 億倍 。這是一個(gè)令人難以想象的數(shù)字，對(duì)比一下，人類目前的總能量消耗與太陽(yáng)能量相比，僅僅只有太陽(yáng)能量的 38 萬(wàn)億分之一 。

如此巨大的能量差距，意味著以人類現(xiàn)有的能源技術(shù)，根本無(wú)法為曲速引擎提供所需的動(dòng)力 。以目前人類最強(qiáng)大的能源來(lái)源 —— 核能為例，核電站利用核裂變反應(yīng)釋放能量，但即使是一座大型核電站，其產(chǎn)生的能量與曲速引擎所需的能量相比，也只是滄海一粟 。而核聚變能源雖然被視為未來(lái)能源的希望，但目前還處于研究和實(shí)驗(yàn)階段，距離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、穩(wěn)定的能量輸出還有很長(zhǎng)的路要走，更無(wú)法滿足曲速引擎這種超乎想象的能量需求 。

此外，要獲取如此巨大的能量，還需要解決能量的存儲(chǔ)和傳輸問(wèn)題，如何將這些能量高效地存儲(chǔ)起來(lái)，并安全、穩(wěn)定地傳輸?shù)角僖嬷校彩悄壳半y以攻克的難題 。