上月底美国《科学》杂志报道说，2011年9月在意大利进行的OPERA实验所宣称的“惊人发现”——中微子速度超过光速，其实是一起“科学乌龙”事件，罪魁祸首可能是用于校正中微子飞行时间的全球定位系统接收装置与电脑之间“接触不良”。

回想在不到半年以前，发现比光跑得还快的中微子消息一出，立刻引起全世界轰动，尽管只是测得中微子速度超过真空光速（约每秒30万公里）0.0025%。此事之所以带来巨大震撼，乃是因为爱因斯坦的相对论认为，没有任何物体的速度能够超过光速，这已经成为现代物理学的重要基础。如果真的证实这种超光速现象，那么，整个物理学理论体系或许会因之重建。

在日常生活中，除了我们身边的物质之外，光无疑是最显而易见的现象。正因为如此，科学家们一直致力于研究光的概念和本质。人们对光、光速和超光速的认识，也走过了一个曲折的历程。

不妨先从时间和空间讲起。

时间之河

仅仅在100多年以前，物理学家们还认为我们的宇宙是由时间和三维空间所构成的，而时间是一个独立于空间之外的影响因子。但是，在爱因斯坦的广义相对论中，时间也变成了像长度、宽度和深度一样的度量单位，宇宙具备了确确实实的四维特性——我们称之为“时空”。

物理学自诞生以来,其发展历程中的几个最重要的成就,都或多或少地跟人类对于时间和空间认识的进步有着不可分割的关系。而且，特别明显的一个特征是：物理学所研究的量，如重量、动量、能量、电量，都是作为研究对象的物体所具有的特性，唯独时间是人类与自然现象融洽地共有的属性，而且似乎只能沿着一定的方向经过。如果不经历事件，则时间将失去意义。

从2000多年前的亚里士多德开始,物理学就有了时间和空间的观念做支撑。在亚里士多德看来，时间就是运动。这个观点极具突破性：我们通过运动来理解时间。但时间概念作为一个独立存在的东西，直至中世纪才在欧洲得以确立。近400年以来，由于伽利略和牛顿的贡献，时间作为可计量的单位和运动定律中的一个基本参照系被引入科学领域。

尤其是牛顿力学的建立，在某种程度上可以说完成了关于时间的第一个物理学理论，首次描述了时间最重要的属性。在牛顿的物理学中，时间是一个持续不断的水流，包含着所有的进程，无一例外。这就是所谓的“时间之河”：时间是一条无头无尾、始终如一的河流，没有“源头”，也没有“潮起潮落”，所有的事件都在时间河流的承载中流逝。时间除了均匀地流逝的属性之外，没有其他属性。“绝对时间”在整个宇宙中都是相同的。

光速不变

牛顿的时间概念吸引我们用绝对而又普遍性的方法把时间分割成过去、现在和未来。但是，这种把时间看做一成不变而又绝对的朴素观点，从根本上说是有缺陷的。

大约在20世纪初,在涉及光信号的变化和物体的运动时，牛顿的普遍性时间概念开始得出荒唐的或是自相矛盾的结论。爱因斯坦恰逢其时，把一个可变的时间概念引入到物理学中。在他的狭义相对论的时空观念里，时间与空间真正地成为一个整体,而不再是独立的绝对的组分；时间与空间是紧紧纠缠在一起的概念,它们是不可分割的。这一时空观念的变革对其他学科，甚至对人们的日常生活形态,产生了不可估量的变革与影响。

在狭义相对论中，最重要的一条原理是光速不变原理。该原理指出，光速在各个参考系中是常量，且光速是任何物理速度(信息传播速度)的上限。在随后提出的广义相对论中，爱因斯坦虽然把平直的时空观念延伸到了弯曲时空的概念，但它仍旧保持了狭义相对论的理论基础。广义相对论指出，在惯性系里，所有的物理规律恢复到狭义相对论的形式。所以，狭义相对论的时空观念,特别是关于光速是物理速度上限这一结论，是整个相对论时空观的基础。

1911年，爱因斯坦提出，带有特定能量（由其频率或波长决定）的光子具有等效质量。因此，像物质粒子一样，光子应当受大天体的引力吸引而发生偏转。正如他所设想的那样：“据此理论可以得出，从太阳附近通过的光线会受太阳引力场的作用发生偏转，这导致在太阳和出现在太阳附近的恒星间视角距几乎增加1角秒。由于日全食时能看到太阳周围的恒星，因而可以将此理论结论与实际进行比较。”

特殊形式

其实，早在1704年，持有光“微粒说”（认为光由快速在空间运动的小粒子即光子组成）的牛顿就提出，大质量物体可能会像弯曲其他有质量粒子的轨迹一样，使光线发生弯曲。一个世纪后，法国天体力学家拉普拉斯也提出了类似的看法。1804年，德国天文学家索德纳根据牛顿力学，把光微粒当做有质量的粒子，预言了光线经过太阳边缘时会发生0.875角秒的偏折。但是，在18世纪和19世纪里光的“波动说”（认为光和声音一样是一种波动现象）逐渐占据上风，牛顿、索德纳等人的预言没有被认真对待。

1911年爱因斯坦在他的广义相对论框架里计算太阳对光线的弯曲时算出日食时太阳边缘的星光将会偏折0.87角秒。次年，爱因斯坦发现空间是弯曲的。1915年，他把太阳边缘星光的偏折度修正为1.74角秒。1919年5月29日发生一次日全食时所观测到的恒星光线在太阳引力场作用下发生的偏转现象，初步验证了爱因斯坦相对论的正确性，尽管精确度还不是十分理想。

从太阳边缘掠过的光线所产生的极小偏转，大体说来，一半来自牛顿理论的推论，另一半则来自三维空间的曲率。当所考虑的物体速度远低于光速时，牛顿理论非常适用；但在描述高速亚原子粒子的行为时，牛顿理论就不太灵光了。此中，“光速有限”这一设定是关键。不妨换一种方式来考察：光通过1米的距离需要多长时间？假如光以无穷大的速度传播，那它通过1米所需的时间是0秒。然而，当光以它的实际速度传播时，则需要0.0000000033秒。所以，爱因斯坦所修正的，正是0和0.0000000033之间的差别。

这就是说，牛顿理论并没有错。尽管它与爱因斯坦理论有着根本性的区别，但仍是后者相当好的近似，或者说真理的精确近似，只不过需要满足如下条件：物体的运动速度与光速相比很低，并且时空曲率也不大。而一些小的相关项若被忽略不计，爱因斯坦理论便能简化为牛顿理论。因此，牛顿理论可以视为广义相对论的特殊形式，而广义相对论则是牛顿理论向一般情况的推广。

光的本性

时间和空间的这种相对性同我们的直觉相违，常常把人搅糊涂。在日常生活中，时间和空间在人们的感知或体验里从没出现过缩短现象。按照爱因斯坦的理论推算，运动物体的长度在速度接近光速时才有显著改变。如果物体以光速的50%、90%和99%运动，那么，它们的长度就会分别缩短为静止长度的86%、45%和14%了。

有一首打油诗描述了这种高速运动物体的相对论收缩效应：“斐克小伙剑术精，岀刺迅捷如流星；由于空间收缩性，长剑变成小铁钉。”

而时间效应比长度和质量的效应更使人困扰。假设双胞胎兄弟中哥哥以光速飞行进行太空旅行，回到地球时他的年龄将会比留在地球上的弟弟小：当地球上过了10年的时间时，以60%光速飞行的哥哥只长了8岁。

时钟的走慢如同长度的缩短一样，是一个普遍的效应，只与运动速度有关。

除了空间和时间外，狭义相对论还改变了人们对光的本性的认识。它将光提高到凌驾于空间和时间两者的地位上；而且，光似乎又是空间和时间的源泉。现在我们知道，光是一种特殊形式的电磁波；光的传播既是一种波动过程又是一种粒子过程（所谓的“波粒二象性”）；光子像电子或原子核的组分一样是基本的粒子；光速在真空中永远恒定。

爱因斯坦发现，承认相对性的原理，就得丢掉关于能量和质量互不相干以及它们是分别守恒的概念。他把这个颠覆性的发现总结为一个等式：E=mc２。质量和能量只不过是同一个东西的不同表现形式而已，光速（c）在这里是个常数。你所见到的周围一切质量，都是被束缚的能量的一种形式。

回到过去？

进一步追问：如果速度接近光速可使时间变慢，超过光速可不就能把时间倒转了吗？再问：一个人如果去追手电筒的光会怎样？如果他跑得快，有没有可能追上那道光？如果他能跑得跟光一样快，他会看到什么？光会不会看起来好像是停止不动的？

根据爱因斯坦的说法，如果你看到一辆汽车移动的速度接近光速，那么，汽车看起来好像缩短了，而且车里的一切好像以慢动作在进行。如果汽车的速度再快一点，它的长度就会缩到接近于零，而时间几乎静止了。不过，只有看到车子经过的人才会感觉到这些变化；对于车上的人来说，一切都和平常一样。

以相对论速度相遇的两个旅行者，对时间的感受结果是不同的。如果运动得比光还快，其情形就如一首有关相对论的打油诗所描述的那样，就显得更加离奇了：“年轻女郎名伯蕾，神行有速光难追；爱因斯坦来指点，今日出游昨夜归。”

不少科幻小说推测，打破光障就能回到过去。但是，爱因斯坦给出的公式不允许任何物体以光速运动。这是因为，物体的质量会随着速度接近光速而越来越大；而质量越大，物体反抗加速的力量便越强；到了最后，物体的质量会达到无穷大，这便需要有无限多的能量来克服无穷大的惯性。因此，一切由物质构成的物体都不可能以光速运动。

有大量的直接实验证明，运动物体反抗它本身进一步加速的惯性质量，在运动速度接近光速时会无限增大。因此，如果一颗左轮手枪子弹的速度达到光速的99.99999999%，那么，它对于进一步加速的阻力（即惯性质量）相当于一枚12英寸的炮弹；如果达到光速的99.99999999999999%，这颗子弹的惯性质量就等于一辆满载的卡车了。此后，无论再给这颗子弹施加多大的力，也不能征服最后一位小数，使它的速度正好等于光速。也就是说，光速是宇宙中一切运动速度的上限！

英国理论物理学家保罗·戴维斯指出，比光速快可能意味着时间逆转，随之而来的是所有的难题和矛盾。然而，还没有令人信服的证据证明其不存在。除非有人捏造一个证据，否则，我们不能确信一个超光速粒子不会突然被发现。只要存在，相互矛盾的论点就会困扰我们。瞧，这个世界是多么的神奇！