物理學中有一些很有意思的 “天然屏障”，它們在常態的物理世界裡是無法被突破的。這裡面最有名的大概就是狹義相對論 (special relativity) 給出的 “光速不可被超越” 的限制。此外，熱力學 (thermodynamics) 與統計力學 (statistical mechanics) 中的 “孤立系統的熵 (entropy) 不會減小” 或 “熵增定律” 也是一般大眾常聽到的限制。在量子力學中的 “測不準原理” 或 “不確定原理” (uncertainty principle) 若用精確的數學語言表達，也是一個位置不準度 $\Delta x$ 與動量不準度 $\Delta p$ 之乘積的極小值限制，即 $\Delta x \, \Delta p \geq \frac{\hbar}{2}$。

      在這些限制裡，我認為 “光速屏障” 可能是被談得最多，但理解得最少的一個限制。此外，它可能也是這幾個限制之中對人類的 “心理衝擊” 最大的一個限制。我小時候受的教育告訴我們 “人定勝天” 與 “鐵杵磨成繡花針”，彷彿只要我們不斷努力，什麼限制都可以突破。可是只要相對論沒有被推翻，要讓人類肉體或通訊速度超越光速就辦不到。想到宇宙空間這麼廣大，人類卻只能用低於光速的速度在其中航行與收發訊息，難免給人一種困於牢籠之中的感覺。許多人因此想方設法要突破這個速度限制，但他們幾乎沒有例外的是因誤解相對論而得出錯誤結論，所以到目前為止都沒有成功。也曾有物理學家從實驗上意外發現看似超光速可存在的證據，但進一步驗證的後續實驗卻否定了之前的結果。這個戲劇性的例子也有個戲劇性的名字，它就是 2011 年在OPERA 實驗 (OPERA experiment) 中發現的超光速微中子反常事件。

      2011年9月23日，位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）與義大利格蘭沙索的國家實驗室 (LNGS) 科學家合作的OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) 實驗團隊宣布他們發現了微中子 (neutrino) 超光速的證據。在CERN的加速器中產生的高能微中子束被發射到730公里外的義大利實驗室。根據精確的時間測量，微中子似乎比光子提早了約60奈秒抵達目的地，這個時間差表示微中子的速度比光速快了約0.0025%。這個發現震驚了物理學界，如果被確認為真，將會嚴重挑戰狹義相對論的一個核心預言：光速在真空中是宇宙的速度極限。根據狹義相對論，任何有質量的物體都無法達到或超越這個速度。此外，若能以任何超光速 (superluminal) 媒介進行通訊或交互作用，就會違反或破壞因果律 (causality)。如果OPERA團隊的發現屬實，那就表示整個物理學大廈可能需要重建。然而，故事的結局卻出人意料。隨著後續的重複實驗和數據分析，這個「超光速」的現象就消失了。OPERA事件最終被證明是一個實驗儀器上的系統性錯誤。在 2012 年 2 月和 3 月，OPERA 研究人員最終將這個結果歸咎於連接 GPS 接收器和電腦的積體電路卡的光纖線路連接不良。這個烏龍事件雖未能推翻相對論，卻讓兩名研究團隊的重要負責人安東尼奧·埃雷迪塔托（Antonio Ereditato）達里奧·奧蒂耶羅（Dario Autiero）引咎辭職。

      讀者或許會好奇：究竟為什麼超光速現象會是一個這麼嚴重的 “禁忌”，甚至導致人丟掉了工作？這就要從狹義相對論在現代物理中所扮演的角色說起。一般大眾對相對論的認知或許就是：一個愛因斯坦所提出來的非常天才的時空理論，裡面牽扯到黑洞、宇宙、時空、能量等等。然而，作為廣義相對論 (general relativity) 基礎的狹義相對論，其實遠遠不止是一個關於時空的理論，它事實上是現代物理的基礎。在相對論之後發展出的相對論性量子力學 (relativistic quantum mechanics)、量子電動力學 (quantum electrodynamics)、高能物理 (high energy physics) 的標準模型 (standard model)，甚至是全球定位系統 (GPS)、核能 (nuclear power)，以及當代的宇宙學 (modern cosmology)，全都是奠基於狹義相對論的正確性之上。嚴格說起來，狹義相對論與量子力學，都不是針對特定研究對象的特殊理論，而是所有當代正確理論所必須使用的框架。一般的理論如果錯了，最多就是換一個更適用的理論即可。狹義相對論或量子力學如果錯了，就得把從二十世紀初建立起來的整套物理學打掉重練，其影響自然是非同小可。

      那麼，自然界中是否真的不存在超光速現象呢？答案是否定的。一個當代最為一般大眾所熟知的例子是對量子糾纏態 (quantum entangled state) 做測量時，糾纏粒子對之間的超光速關聯 (superluminal correlation)。考慮一對相互糾纏的 (entangled) 電子，處於一個被稱為自旋單態 (spin singlet state) 的總角動量 (total angular momentum) 為 0 的疊加態 (superposition state)。假設這兩個電子離得非常遠，使得兩位事先安排好的觀察者 (observers) A 與 B 在完成各自測量他們身邊的那顆電子的自旋狀態並記錄下結果之前，這個觀測結果都無法以光學手段或任何低於光速的通訊手段被對方得知。根據量子力學，當 A 對他旁邊的 1 號電子做自旋測量時，若得到自旋向上的結果，就會在那一瞬間讓整個系統的狀態改變至兩電子都有確定自旋的狀態，即 2 號電子在當下的自旋就會被確定為向下，即使 B 觀察者還沒有對其進行測量。在 Youtube 裡有些流傳的說法，會說是兩個分開的電子能夠以超光速相互影響。這很容易讓人解讀成訊息能以超光速傳遞，但這是不對的。當我們對糾纏粒子對的其中一個粒子作了測量，雖然我們立刻可以根據此處的測量結果得知此時彼處的粒子處於何種狀態，但我們那位守在彼處的合作伙伴並不知道我們是否已作了測量，因此兩邊並不能算是交換了信息，而且這兩邊「分享」的信息還是事先不可預知結果的。一直要到我們跟彼處的夥伴聯繫過了，才算真正交換了信息。這整個完整過程的信息傳遞速度其實是低於光速的。兩電子之間的 “關聯” (correlation) 雖然確實是超光速的，但測量結果是不可控地隨機發生的 (無法事先確定會量到什麼結果)，因此無法作為超光速的訊息傳遞手段，也就不會破壞因果律。

      在色散性介質 (dispersive media) 裡的波傳播現象 (wave propagation phenomena) 遇見超光速現象更是家常便飯。例如在含有可自由移動的電荷的電漿介質 (plasma medium) 裡，如果電磁波的頻率高於所謂電漿頻率 (plasma frequency) ，電磁波在其中傳播的相位速度 (phase velocity) 就會高於真空中的光速。不過，相位的傳遞只是一個週期重複的現象，本身不攜帶資訊，因此沒有違反因果律的問題。在這個例子中，真正代表能量或訊息傳遞速度的是波的群速度 (group velocity)，它基本上就是一個脈衝 (pulse) 的運動速度。在介質對電磁波能量的吸收 (absorption) 可忽略的條件下，可以證明群速度會低於真空光速，因此它在相對論檢驗下是十分 “安全” 的。當人們進一步探討損耗性介質 (lossy medium) 與增益性介質 (gain medium) 中的波傳播時，情況就變得十分複雜，使得結果較難判斷。但正因為如此，有許多的實驗是建立在使用這類介質以製造出看似超光速的結果。這方面的研究相當有趣，但我無法在這裏用簡單幾段話介紹清楚。等將來有機會，我將為各位讀者做詳細的解釋。