【深造物理】為何光速是所有速度的極限？我們可用光速飛行嗎？

在香港，大家會怎樣形容很快呢？光在真空中每秒約行 30 萬公里，足以在一秒圍繞地球七圈半。那麼，人類能否有一天坐上太空船，按下啟動，直接以光速穿梭星際？這個問題看似簡單，背後卻牽涉現代物理學的基石—狹義相對論(Special Relativity)、能量守恆與工程極限。本文會深入淺出地，拆解「光速飛行」到底是科幻還是可期的科技，並看看我們與「近光速」有多近。

光速是什麼？為何它那麼特別

光速 c = 299,792,458 公尺/秒，是自然界中的硬規則。更準確地說，狹義相對論指出：在真空中，光速對所有觀察者都相同，且是所有訊息與因果影響的最高傳遞速率。很多人會問：在水或玻璃中，光不是慢下來了嗎？是，但那是光與介質相互作用的結果；在真空中，沒有任何粒子或訊號可以超過 c。

有幾個常見的「快過光」誤會值得澄清：

• 雷射光點在月球表面掃過時，光點移動的速度可以看似超過 c，但那只是幾何效果，沒有任何物質或訊息在那個方向以超光速傳遞。
• 在某些特殊材料中，波的「相速度」(phase velocity) 或「群速度」(group velocity) 可能超過 c，但真正承載訊息的前沿速度(front velocity) 仍不會突破 c。
• 帶電粒子在水中跑得比當地的光速更快時，會發出藍光—切倫科夫輻射(Cherenkov radiation)。那不是超越真空光速 c，而是超過了「介質中的光速」。

相對論的紅線：為何有質量的東西無法達到光速

狹義相對論的數學告訴我們：一個有靜止質量(rest mass) 的物體，愈接近光速，想再加速一點就要付出愈誇張的能量成本。關鍵是洛侖茲因子(Lorentz factor, γ)：γ = 1 / sqrt(1 − v²/c²)。當速度 v → c 時，分母趨近 0，γ 會趨向無限大。物體的動能與動量都與 γ 有關，這代表要把任何有質量的飛船推到「剛好 c」，需要無限能量—這是做不到的。

只有沒有靜止質量的粒子，例如光子(photon)，天然以 c 移動。電子、原子、你我、以及任何飛船都有質量，因此不可能被加速到光速。這不是「目前引擎不夠力」的工程問題，而是一條物理定律。

「近光速」是什麼感覺：時間延緩與尺縮

雖然「光速本尊」碰不得，但「非常接近光速」卻是另一回事，這也是未來星際旅行的現實目標。當速度接近 c，會出現三個關鍵效應：

• 時間延緩(Time dilation)：在高速飛船上的時鐘相對地球會變慢，慢的程度由 γ 決定。你在船上感覺過了 1 年，地球可能已經過去很多年。
• 尺縮(Length contraction)：沿著運動方向，觀測到外界的長度會縮短。對航行者而言，目的地似乎「更近」。
• 同時性的相對性(Relativity of simultaneity)：不同參考系對於「何時發生」的判斷會不一樣，這在導航與通訊時需要小心處理。

還有一個直覺陷阱：速度相加不再是「直加直減」。例如一艘以 0.9c 前進的飛船，發射一枚在船上量到 0.9c 的探測器，對地球觀察者來說，探測器不會是 1.8c，而是約 0.994c，這是相對論速度疊加公式的結果，保證沒有任何東西能超過 c。

能量帳本：把飛船推近光速要多少能量？

以每公斤飛船質量計算，所需的動能大約是 (γ − 1) × mc²。以下是一些具體數字，幫助建立量感：

速度 v/c	γ	每公斤動能 (J/kg)	到半人馬座α星(4.37 ly)地球觀測時間	船上主觀時間
0.90	≈ 2.29	≈ 1.2 × 10^17	≈ 4.9 年	≈ 2.1 年
0.99	≈ 7.09	≈ 5.5 × 10^17	≈ 4.4 年	≈ 0.62 年
0.999	≈ 22.37	≈ 1.9 × 10^18	≈ 4.37 年	≈ 0.20 年

把數字拉回日常感覺：全球一年的能源消耗量量級約為 10^20 焦耳。把 1,000 公斤的探測器加速到 0.99c，僅動能就要約 5 × 10^20 焦耳，已與全人類一年能耗相當，還未計推進效率、散熱、結構等損耗。要再逼近 0.999c，成本更是乘數級上升。

推進方案盤點：如何逼近光速

要追光，我們需要推進系統把動量「吐」出去。直覺上，噴得越快，船就越能被反推得快。以下是幾類方案與現況：

• 化學火箭(Chemical rockets)：能量密度低，排氣速度幾公里/秒量級，適合發射離地與行星間任務，但對星際與近光速幾乎無用。
• 電磁/離子推進(Ion thrusters)：排氣速度高得多，效率高，但推力很小，適合長期溫和加速的深空探測；到達 0.1c 仍極具挑戰。
• 核分裂/核動力(Nuclear thermal/electric)：能量密度較高，可提升排氣速度或長期供能，是未來星際前哨，但仍離近光速甚遠。
• 核融合火箭(Fusion rockets)：若能穩定可控，能量密度與排氣速度大幅提升。歷史上有「代達羅斯計畫(Project Daedalus)」等概念，理論上可達 0.1c – 0.2c，但工程與燃料(氦-3等)取得極困難。
• 反物質推進(Antimatter propulsion)：反物質與物質湮滅釋放最高能量密度(每公斤達 9×10^16 J 級別)。問題是：製造成本近乎天文、儲存超困難、轉換效率與噴嘴設計仍是前沿研究。即使抓到這隻「能量神獸」，要達 0.5c 以上仍需驚人質量比與散熱能力。
• 光子火箭(Photon rockets)：直接向後發出光子(雷射)作「尾焰」，光子動量是 p=E/c，理論上排氣速度等於 c，效率卻極低，要獲得可觀推力需要荒誕能量流。
• 太陽帆/雷射帆(Solar/laser sails)：不帶燃料，靠光壓推進。太陽光弱但「免費」；若改用地面或軌道的超強雷射陣列「照」上去，稱為束能推進(Beamed propulsion)。「突破任務(Breakthrough Starshot)」就提議用雷射帆把克級微型探針推到約 0.2c，20 年抵達半人馬座α星系，技術瓶頸在於超大功率雷射、輕而強的奈米帆與熱管理。

長話短說：想逼近光速，要嘛把「排氣」變到瘋狂快(光子、湮滅、融合)，要嘛把能源來源搬到飛船外(雷射帆)。兩者都針對「帶燃料越重越拖速」這個根本問題下手。

別忘了減速：去到才是重點

許多概念容易忽略「剎車」。若一路被地球雷射推到 0.2c，到了目標恆星系，如何停下來拍照與科學探測？選項包括：

• 雙向雷射陣列：目標星系也有雷射陣列幫你剎車—但這意味著先前就要建好基礎設施。
• 磁帆(Magsail)：展開巨型超導圈，利用恆星風與行星際磁場產生阻力，慢慢減速。
• 反向點火：若自帶推進劑，到了就轉身反推減速，但質量與能量成本倍增。

工程與安全地獄：塵埃、輻射與熱

當速度進入 0.1c – 0.9c 範圍，宇宙環境對你變得相當「敵對」：

• 微塵與氣體撞擊：星際介質平均每立方公尺約有數十至數百個原子，還有微米級塵粒。以 0.9c 前進時，哪怕是一顆 10⁻⁶ 公斤的塵粒，其相對論動能也可達 10¹¹ 焦耳，相當數十噸 TNT，足以在艏部打出致命坑洞。必須設計厚重艏盾、電磁偏轉或等離子鞘層來保護。
• 輻射與藍移：前向的星光、宇宙線與宇宙微波背景(CMB)都會被藍移，對船員和電子設備構成強烈輻射負擔。前向熱載荷也會增加。
• 散熱困難：任何高功率推進都會產生熱，而深空只有「輻射」這條路。高溫輻射器需要巨大面積與低面密度材料，還得承受加速與微隕石撞擊。
• 導航與通訊：高速下多普勒頻移(Doppler shift)巨大，需頻率規劃；時間延遲加上相對論效應，星際導航要結合脈衝星時鐘、星圖自定位與高精度慣性參考系統。

1g 持續加速的幻想與現實

大家愛問：如果飛船能提供約 1g 的持續加速(像地球重力般舒適)，多久能接近光速？在狹義相對論框架，速度會按「快度」(rapidity) 線性增長，1g 下，約 1.8 年的船上時間就能加速至 0.95c，類似時間再用於減速。聽起來很好，但實務上要維持這種推力與功率，連續數年供能與散熱，難度遠超當代工程，且推進劑或能量來源必須令人咋舌。

曲速引擎與蟲洞：科幻還是理論可能？

廣義相對論允許一些數學解法如阿庫別瑞(Alcubierre)曲速泡與蟲洞(wormholes)，表面上能「超光速」地到達遠方，因為你不是在空間中越過 c，而是「搬動」或「折疊」時空本身。問題是：這些解需要「負能量密度」(exotic matter) 來維繫，而量子場論中的「量子不等式」(quantum inequalities) 對可用的負能量有嚴苛限制。更糟的是，即便能量問題解決，穩定性、因果性違反(可能導致時間悖論)、以及如何建造與控制，都遠在我們可及之外。以目前物理與工程判斷，曲速與可通行蟲洞仍屬科幻題材，不是近中期可行的交通方案。

近光速旅行的現實價值：從半人馬座到星系邊緣

不必「達到光速」，近光速已經能讓星際旅行在人的生命尺度內有意義。舉例說：

• 半人馬座α星(約 4.37 光年)：以 0.2c，地球觀測約 22 年；以 0.9c，約 4.9 年，船上主觀時間約 2.1 年。
• 織女星(約 25 光年)：以 0.9c，地球觀測約 28 年；船上約 12 年。
• 銀河系直徑(約 10 萬光年)：以 0.99c，地球系統要十萬年，但船上主觀時間因時間延緩可大幅縮短，可在幾千年等級內橫越—對個人旅者仍然過長，但對文明尺度或世代船而言有意義。

這些數字提醒我們：近光速不是「聊勝於無」，而是切實改變可及範圍的門票。技術上最可期的起點，是無人微型探測器(克到公斤級)達到 0.1c – 0.2c，先把「星際照片」與原位資料帶回來。

今天的進度：從雷射帆到高能材料

近年的方向集中在幾個路線：

• 雷射帆與束能推進：奈米結構的超薄反射膜、千兆瓦級短脈衝雷射陣列、陣列相位控制、氣氛與光學熱畸變補償，以及航行中帆面的自穩定。這條路線避開載重燃料的包袱，是最具近中期突破潛力的方案。
• 高比強度與耐輻射材料：前盾、散熱翅片、超導磁體、耐高能粒子電子元件。材料科學的每一步，都可能把最高可行速度再推高一點。
• 先進核推進：包括核熱、核電與融合原型機，逐步擴大深空任務的能量與推進邊界，為更遠的未來鋪路。
• 導航與通訊：用脈衝星作「宇宙 GPS」、深空雷射通訊(降低繞射損失、提高資料率)、以及多普勒自適應接收。

常見誤解快速釐清

• 「只要有更大引擎，總能達到 c」：錯。這不是工程規模問題，而是狹義相對論的基本限制—有質量的物體到不了 c。
• 「等我們找到新物理就能超光速」：也許未來會有突破，但任何新理論必須同時解釋並復現現有實驗事實(例如粒子加速器中的高能實驗)，因此機率不高。即便有新物理，也未必代表可工程化的交通工具。
• 「宇宙膨脹不是讓星系彼此退行超過 c 嗎？」：那是時空本身的度量改變，不是物體在空間中穿越 c。局域上(在你的附近)任何訊息仍不能超過 c。

我們究竟能否「用光速飛行」？

嚴格地說：不行。任何有質量的飛船或人，都無法被加速到光速。這不是科技落後，而是物理定律。然而，這個否定句後面其實藏著令人振奮的空間：接近光速的旅行，從理論到工程，並沒有被禁止。把速度推到 0.1c – 0.2c，已經足以在幾十年內跨越最近的恆星；把速度推到 0.9c，船上主觀時間將大幅縮短，星際甚至星系內的探索不再是絕對的千秋萬代工程。

未來最可能的路徑，不是一艘巨輪載著上萬人馬上衝向銀河，而是從小做起：克級到公斤級的雷射帆探測器率先出征，建立「星際通訊與導航前哨」，隨後噸級、百噸級的科學平台再逐步跟上。材料、能源、光學與自動化的每一次突破，都讓我們離「近光速」更近一步。

結語：把極限變成方向

光速是自然寫在宇宙法典裡的紅線—不能逾越，卻能用來指引方向。知道「為什麼不行」，才能更聰明地問「那要怎樣才行」。當我們接受「達到 c 不可能」的同時，也學會設計能在 0.1c、0.2c 甚至 0.9c 運行的系統：把燃料搬到地面、把散熱做到極致、把材料做到輕而強、把導航做到自主而精準。對你我來說，也許未來最早見到的，會是來自半人馬座附近的一段高清影像，傳回地球時，鏡頭背後那塊「帆」曾在香港夜空中、在全球數以百計的雷射陣列照耀下，默默啟程。那一天，我們未必「用光速飛行」，但我們的文明，已經學會與光「同向而行」。