电磁波不能完全地观测超光速运动 ：“不可能存在超光速运动”，是对命题范围以外的想象：

爱因斯坦是20世纪伟大的科学家。他在相对论、量子论、分子运动论等领域都做出了重大贡献，深刻地影响了20世纪物理学、天文学、宇宙学等基础科学和技术科学的发展方向。他创立的狭义相对论原理的主要结果在大量科学试验中得到了支持，已被20世纪的科学界所普遍接受。在技术科学中如雷达技术、无线电通讯、卫星导航定位、粒子加速器设计制造等技术领域里也有重要影响。2005年是爱因斯坦发表狭义相论100周年，全世界科学界都举行各种活动，衷心纪念这位科学巨人对人类科学事业的贡献。

　　狭义相对论的基本出发点是一个关于距离的技术定义和两个公设。这个技术定义是：光或电磁波往返目标双向时间间隔之半乘以真空光速c等于目标距离。两个公设是：（一）物理定律在一切惯性系中相同；（二）光在真空中的传播速度为常数，与光源和观察者的运动无关。第一个公设是发自科学逻辑，第二个公设是对迈克逊-莫利试验（1887）的推广。

　　细忖狭义相对论的假设、前提和逻辑结构可以看到，只有在物体速度小于光速c的范围内其理论和公式才是正确的。如果飞船以等于或大于光速的速度离去，那么从地面上发出的光或任何频率的电磁波都不会有回波，地面根本看不见目标。这就超出了狭义相对论关于距离定义的范围。反之，如果飞船以大于光速的速度向地面飞来，地面会看到一条反转的轨迹，晚发出（或反射）的信号早收到，有如离我而去。如果观察的目标不是飞船而是电磁场中的带电粒子，这种视轨迹会误导观察者，误以为它带有相反的电荷。所以从技术实际来说，用光线、电磁波不能完全地观测超光速运动。在什么也看不见的地方，或者无法取得任何信息的领域去讨论它是什么样子，只能是猜测或假说。从技术科学角度来看，爱因斯坦在1905年论文中的推测：“不可能存在超光速运动”，是对命题范围以外的想象：如果光线没有回波，那就是不存在。这个推测，当时还无法在物理实验中加以检验，只能诉诸以后的实践。所以，今天很多理论物理学家们认为“狭义相对论并不能排除超光速运动的存在”。在没有经过实验直接获得证据以前，不应当把它当作一条科学定律来引用。无论如何，靠光学或电磁波反射看不到的事物不能成为不存在的证据。

　　其实，早有人想到爱因斯坦的设想和推测至少是不准确的。例如“双尺交点”的运动可以简单地超过光速数倍到数十倍，尽管这种几何运动是非物质的。20世纪下半叶至今，很多物理学家继续研究存在超光速运动的可能性。但是，从早期的虚质量，快子，到改变空间尺度，超光速传播，负质量等等努力都没能绕过茁=vNc=1这个奇点。

　　从技术科学来看光障，这个奇点的产生不是来自数学，而是来自以光学和电磁波手段测距的技术基础。用光学或雷达往返信号时间间隔之半去定义距离，用这种技术，由于光速的有限性，根本看不到运动速度等于和大于c的目标，所以它不可能成为研究和发展超高速宇航的基础。

　　近几年系统科学的研究表明，一个系统在奇点附近和以外可能出现各种混沌现象。只有靠具体的物理和技术试验分析才能判断那里可能出现何种情况。没有试验结果和确凿证据，任何工程师或技术科学家都不会仅据猜测去进行工程设计。

　　近40年来航天技术的实践和测量技术的进步，情况与20世纪初有了很大变化。过去是以地面观察为主，飞行器上的设施配合地面观察，这符合狭义相对论的技术定义。现在的导弹、卫星和飞船已能独立自主飞行，带有全套的计时、定向、定位、遥测、通讯能力，装备有原子钟、惯性导航仪表、光学天文导航和雷达设备，地面观测变为辅助性的。至少在理论上，它无需靠地面观测来飞行。航天和技术科学的进步提供了新的角度和可能性去考查检验相对论及其推论的意义。

　　当然，不能因此而降低地面观察数据的重要性。在航天技术出现以前，一切科学试验都靠从地面观察得到信息，然后用归纳、推理而系统地抽象出科学规律。今天，航天技术又为科学试验增添了新的独立的信息源———飞船在太空中独立自主地观察和测量。启动火箭发动机使飞船加速，固联在飞船上的惯性仪表—加速度表可精确测出飞船的速度和位置变化，如果需要就用编码报文形式把信息传回地面。这样一来飞船的飞行与地面观测与否完全无关。全球卫星定位系统（GPS）就是以这种方式工作的。

　　100多年的科学实验证实了引力惯性质量和动力学质量的等价性。40多年的航天自主测量技术实践从未发现火箭推力与惯性速度之间有相互制约的关系。狭义相对论指示说，飞船的惯性质量将随飞行速度的增大而增长，只有飞行速度接近光速c时这种依赖关系才能感觉到。现代测量技术的精确度已经完全可能在已达到的惯性速度范围内通过实验来检验这种依赖关系。这类实验工作正在进行中，目的是弄清以接近光速自主飞行的飞船能不能继续加速。

　　相对论出现后的100年来，直到今天仍有很多物理学家以各种方式对它的推论进行讨论和检验。各国航天界正在进行大规模的飞行实验来检验某些推论的正确性。科学史表明，一种科学概念和假说从来不会是一开始就完美无缺，总需要后人去继承、修正和发展，这是科学技术得以持续进步的必由之路。

　　电磁波传播速度的有限性也限制了超光速双向宇航通讯的可能性，地面站用电磁波无法向以接近或超过光速c运动的飞船发出指令或建议。航天技术呼唤实验物理学家们寻找传播速度大于c的信号源。只要能找到这种新的信号源，以光速或超光速作宇宙航行的可能性就会大为增长。物理学中现存的很多关于因果律的争论、各种佯谬都可以迎刃而解。很多人曾认为引力波的传播速度可能大于c。世界各国测量引力波的工作已进行50多年，尚未得到可信的结果。美国科学基金会正在支持激光干涉引力波观测计划（LIGO）。还有私人公司独自投资检测引力波的。1997年成立了引力波国际委员会（GWIC），负责协调世界各国检测引力波的实验活动。引力波传播速度大于光速的可能性正激励着很多实验物理学家投入新的实验研究。

　　宇航的光障问题使人回想起20世纪航空工程中出现过的关于声障问题的经历。超音速飞机出现以前，很多人曾设想，当飞机速度接近声速时，在空气中以常速传播的声波会聚集在前面成为密度很大的激波，飞机无法穿过。硬要穿过，要么机毁人亡，要么失稳失控。

　　对于靠声波认识世界的某些生物如蝙蝠、白鱀豚等，声速是不能超过的。但是，航空科学家和工程师们为攻克音障而投入了战斗，经过数十年的理论分析和风洞实验，人们彻底弄清了激波的物理性质和结构。当飞机速度接近声速时，前面的激波是流体方程的一个不连续解，形成很薄的一层高温高压气体（10-3mm），那里的压力（P）和温度（T）的升高大约正比于马赫数的平方。弄清了这些问题以后，航空界立即开始设计建造超音速飞机。在人类第一次实现空中飞行的44年后，美国空军于1947年10月14日实现了首次超音速飞行。第二年，苏联的La-176飞机也超过了音速。从此，新的超音速军用飞机如雨后春笋，又有了协和号客机于1969年首飞，以2倍音速商业飞行了24年（1979－2003）。

关于光障问题是否也会有类似的前景？人们拭目以待。

　　（注：这是作者于2004年11月26日在第242次香山会议上关于宇航科学前沿问题的综述摘要）