【深造物理】光速為何是宇宙的最高速限？
在香港的日常生活，我們會說地鐵飛站也不過幾分鐘、巴士早一班車也只是省十來分鐘。凡牽涉速度，就自然想能不能再快一點？在宇宙這個更大的舞台上，物理學給了一個令人既意外又堅定的答案：有一條終極限速，任何物體、訊息、因果影響都不能超過它，它就是光在真空中的速度 c。為什麼偏偏是光速？為什麼沒有任何「捷徑」可以跨越它？這篇文章帶你由麥斯威爾(Maxwell)到愛因斯坦(Einstein)，再到現代天文與量子觀念，一步步看清楚「宇宙限速」背後的結構。
光速 c 是什麼？不只是光的速度
光速 c 在真空中約為 299,792,458 公尺/秒。自 1983 年起，國際單位制直接把「一公尺」定義為光在真空中 1/299,792,458 秒所走的距離，因此 c 在定義上是精確常數。這裡有兩個重點：
- c 不只是光子(photon)的速度，它更是自然界中「任何可傳遞因果影響的極速」。包括電磁相互作用、引力波(gravitational waves)的訊息傳遞，都以 c 為上限。
- 在物質介質內，光會因為與原子互動而「變慢」，但這只是有效速度變小；宇宙的終極限速仍然是真空中的 c。
為什麼 c 會是一個固定常數？從電磁到相對論
19 世紀的麥斯威爾方程告訴我們：電與磁相互交織，會形成一種在空間傳播的波，而這個波的速度正是 1/√(ε0μ0)，計算出來恰好等於光速。這讓人意識到「光是電磁波」。當年物理學家原以為不同移動狀態下會量到不同光速，但米寧遜－莫雷(Michelson–Morley)實驗發現，無論地球如何繞太陽、公轉、自轉，測到的光速都一樣。
愛因斯坦更進一步提出兩大公設：
- 相對性原理：所有做勻速直線運動的觀察者，物理定律都相同。
- 光速不變：在真空中，光速對所有這些觀察者都相同。
這兩條看似簡單的公設，迫使我們修改對時間與空間的直覺，導向洛侖茲轉換(Lorentz transformation)——時間會膨脹(time dilation)、尺會收縮(length contraction)、同時的觀念會變得相對(relativity of simultaneity)。
速度為何加不過 c？相對論速度疊加
日常經驗下，速度「相加」很直觀：你在行駛的巴士上向前跑，地面看你的速度像是巴士加上你的跑步速度。但在接近 c 的世界，真實規則是相對論的速度疊加公式：
若 A 看到物體以速度 u 前進，B 相對 A 以速度 v 移動，則 B 看到該物體的速度不是 u+v，而是 (u+v)/(1+uv/c²)。只要 u 和 v 低於 c，分子雖然增加，但分母也會拉高，最後結果永遠小於 c。這個公式就像宇宙的「限速器」，無論你如何組合速度，都跨不過 c。
為何帶質量的東西永遠追不到 c？能量與質量的幾何代價
在狹義相對論，物體的能量 E 與速度 v 的關係是 E = γmc²，其中 γ = 1/√(1−v²/c²)。當 v 越接近 c，γ 會急速增大；要再加一點點速度，需要投入的能量會瘋狂飆升。當 v 逼近 c，γ → ∞，所需能量也趨近無窮。這不是「引擎不夠力」的問題，而是時空幾何的根本限制。
相反地，沒有靜止質量的粒子（如光子、假想中的引力子）必須以 c 移動，因為它們在任何「想停止」的參考系下都不成立；一停下來能量與動量的關係就崩潰了。簡單講：有質量的東西無法達到 c；沒質量的東西無法低於 c。
光錐(light cone)與因果：宇宙不容許「先發後至」
用幾何眼光看，時空可以用閔可夫斯基(Minkowski)結構描述。任何事件在時空中的「影響力」會被一個光錐界定：光錐內是因果可達的區域，光錐外是你無論如何都來不及影響的地方。若存在超光速的訊息，就可能讓某些觀察者看到「效果先於原因」，出現悖論，例如我把訊息發回到自己發送前一刻，破壞因果一致性。為避免這種邏輯災難，物理定律要求因果影響不得超過 c。
你以為的「超光速」：其實沒有違規
很多新聞說「比光還快」，其實多半不是在說打破宇宙限速，而是以下情況：
- 相位速度(phase velocity)可大於 c：在某些介質或波導，波峰移動的速度可以超過 c，但它不攜帶新訊息。
- 群速度(group velocity)可大於 c 或甚至為負：在「反常色散」的材料中，訊號外形會被重塑，群速度可超過 c；但訊息真正的「前沿速度(front velocity)」仍不超 c。
- 切倫科夫輻射(Cherenkov radiation)：帶電粒子在水中跑得比水中的「光速」快，會發出藍光。但它仍低於真空中的 c，沒有違規。
- 宇宙學膨脹：遙遠星系與我們的「退行速度」可超過 c，因為是空間本身在擴張，不是它在「穿越空間」移動。相對論限制的是「本地」的訊息傳遞速度。
- 超光速視覺幻象：像類星體噴流的「視超光速」(superluminal motion)是幾何投影與時間延遲造成的錯覺。
- 量子糾纏(entanglement)：測量結果呈現遠距相關，但不能用來傳遞可控訊息，因此不違反 c 的因果限制。
| 名詞 | 是否可大於 c | 可否傳遞新訊息/因果影響 |
|---|---|---|
| 相位速度 (phase) | 可 | 不可 |
| 群速度 (group) | 在特定介質可 | 一般而言不可（前沿速度限制） |
| 前沿速度 (front/signal) | 不可 | 是的，受限於 c |
| 粒子/資訊的本地傳播 | 不可 | 是的，受限於 c |
| 宇宙學退行速度 (recession) | 可 | 不涉及本地超光速傳播 |
引力與電磁的「消息」也以 c 傳播
牛頓的萬有引力看起來像是「瞬時」作用，但愛因斯坦的廣義相對論指出，引力其實是時空幾何的彎曲變化，這種變化的訊息以 c 來傳播。2017 年，LIGO/Virgo 探測到的雙中子星合併 GW170817，幾乎同步觀測到伽馬射線暴，證實引力波與光的傳播速度在極高精度下相等，強力支持「訊息不超光速」。電磁力的變動（例如加速的帶電粒子所產生的電磁波）也以 c 傳遞。
為什麼偏偏是這個數字？c 的本質是「時空幾何的換算率」
很多人會問：為什麼限速不是每秒五百萬公里？其實 c 的角色不只是「一個速度」，更像把「時間」和「空間」黏在一起的換算率。用自然單位(natural units)時，我們常把 c 設為 1，因為它是把秒變成「等效距離」的比例尺；光錐就是以這把尺子劃出來的因果邊界。在電磁學裡，c 來自真空電容率 ε0 與真空磁導率 μ0；在相對論幾何裡，c 是度量(metric)中時間與空間分量的基本係數。這些不同路線都指向同一件事：c 是自然的幾何常數，而非任意數字。
能否突破？曲速引擎、蟲洞與「負能量」的高難度
科幻作品中常有曲速引擎(warp drive)與蟲洞(wormhole)。這些構想不是純幻想：廣義相對論確實允許某些「幾何安排」，讓你在兩點之間的有效路徑比光在正常時空中的路徑更短，等於繞過了「本地超光速」的禁止。不過，這些方案需要「奇異物質」或「負能量密度」來維持幾何結構，違反我們在正常物質上觀察到的能量條件(energy conditions)。量子真空效應（如卡西米爾效應）雖能在極小尺度、極短時間產生有效的負能量，但受量子不等式(quantum inequalities)嚴格限制，遠遠不足以維持穩定可穿行的人造蟲洞或可用的曲速泡泡。到目前為止，這些仍屬理論邊界與工程上幾乎不可及的想像。
量子世界會不會推翻 c？關於糾纏與不確定性
量子糾纏讓兩個相隔甚遠的系統呈現強關聯，但依據量子理論與大量實驗（例如貝爾測試 Bell tests），你無法用糾纏來即時傳遞可控訊息。測量結果雖相關，但要解讀對方資料仍需以普通方式（受限於 c）傳送「配對」資訊。因此，量子理論與相對論在「不可超光速傳訊」這點上，是一致的。
宇宙的「交通規則」
若把宇宙想像成一張巨大的交通網絡，c 就像所有道路的極速標誌，而且不會因你坐的是地鐵、巴士或小巴而不同。你可以把很多列車順序相接（速度疊加），但再怎樣，合起來的有效速度也不會超過那個上限。光速之所以特別，不是因為光「很會跑」，而是因為「道路本身」——也就是時空的結構——這樣規定。即使你在隧道(介質)裡走得慢了，出了隧道，宇宙的最高速限仍然不變。
常見疑問總整理
- 問：如果我一直加速，總有一天會超過 c？
答：不會。越接近 c，每一點點速度提升都要更多能量，最後需要無窮能量。 - 問：宇宙有沒有地方讓光跑更快？
答：沒有。真空中的 c 在任何本地慣性參考系下都相同。重力場會改變光的路徑與所需時間（引力透鏡、夏皮羅延遲），但本地測得的極速仍是 c。 - 問：既然 c 是極速，為什麼有些實驗說「超光速通訊」？
答：多半是對相位/群速度或統計關聯的誤解。真正可控訊息的前沿速度不會超過 c。 - 問：黑洞附近會不會讓東西「被甩出」比光快？
答：不會。事件視界是「連光都出不去」的邊界；但黑洞合併產生的引力波仍以 c 傳播到遠方。
從史觀到今天：觀測如何支持「限速」
從米寧遜－莫雷實驗，到粒子加速器裡電子即使灌入更多能量也只會更「重」（γ 增大）而不是明顯更快；從宇宙線(cosmic rays)上看見接近 c 的粒子壽命變長（時間膨脹），到 LIGO/Virgo 與天文電磁訊號的聯合觀測，所有路線都在同一方向指認：c 是因果的最高速。
結語：光速的上限，其實是因果的底線
「為什麼光速是宇宙的極限？」因為 c 不只是光的速度，它是時空幾何的尺度，是將「可以影響」和「永遠來不及」切分開來的因果界線。麥斯威爾把光與電磁連在一起，愛因斯坦把 c 鑲進時空的結構，而現代天文與量子實驗不斷驗證：宇宙的「交通規則」嚴謹而一致。對我們而言，這條規則不是限制想像，反而像一把清晰的標尺——讓我們知道哪些夢想可沿哪條路前進，哪些捷徑只是海市蜃樓。理解 c，是理解宇宙如何講道理的起點。
