超光速
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中文名稱 ：超光速 所屬學科 ：物理 所屬領域 ：速度 |
超光速(faster-than-light, FTL或稱superluminality)，即大於光在真空中傳播的速度(299792458m/s)。會成為一個討論題目，源自於相對論中於局域物體不可超過真空中光速c的推論限制，光速(真空中大約為3億米/秒，光速定義值c=299792458m/s=299792.458km/s)成為許多場合下速率的上限值。在此之前的牛頓力學並未對超光速的速度作出限制。除非世上存在自旋超過5的粒子，不然是不可能達到的。(因為超光速超越了光速)[1]
目錄
探究報道
2011年9月22日，意大利物理學家在OPERA實驗中發現了一種超光速的中微子，如果實驗數據確鑿無誤，愛因斯坦在相對論中提出的"超光速會形成黑洞"將會受到挑戰。OPERA的此次實驗由位於意大利中部山區的格蘭薩索國家實驗室(LNGS)與位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織(CERN)合作進行，實驗結果基於對16,111次中微子測量事件的觀察, 標示出了中微子的旅行速度以40322.58分之一超出光速, 為現實中宇宙速度的極限。考慮到這是一個潛在的影響深遠的結果，在結論被反對或堅實建立之前，還需要更多獨立沒有干擾的測量。但是該實驗最終錯誤，是測量人員的技術失誤。於2012年6月8日向世界公布實驗錯誤。
歷史研究
發現歷程
2000年7月，由於英國《自然》(Nature, 2000, 406:277)雜誌發表了一篇關於"超光速"實驗的論文，引起了人們對超光速到底是否存在的討論。其實對在介質中使光脈衝的群速度超過真空中光速c， 科學家們早有研究，而Nature中報道的這個實驗就是實現了這種想法。但是這並非是人們想象的那種所謂違反因果律(或者相對論)的超光速，為了說明這個問題，讓我們看一看由華人科學家王力軍所做的這個實驗。光脈衝是由不同頻率、振幅、相位的光波組成的波包，光脈衝的每個成分的速度稱為相速度，波包峰的速度稱為群速度。在真空中二者是相同的，但是在介質中如我們所知道的存在如下的群速度與介質。
折射率的關係:
vg = c / ng ， ng = n + ω(dn/dω) 顯然在一定的情況下(如反常色散很強的介質)可以出現負的群速度，此時，光脈衝在介質中傳播比真空中花的時間短，其差ΔT = (L/v) - (L/c)達到絕對值足夠大時就可以觀察到"超光速"現象，即"光脈衝峰值進入介質以前，在另一邊已經有脈衝峰出射了"(由王力軍原文譯)。那麼這種超光速是不是違背因果律呢?我們仔細考查王的實驗就會發現，出射光脈衝雖然是在入射脈衝峰值進入介質之前出現的，但在這之前入射脈衝的前沿早已進入介質了(如圖)，因此出射脈衝可以看作是由入射脈衝前沿與介質相互作用產生的。其實王的實驗重要意義正在於實現了可觀測的負群速度的這一現象，而不是像媒體炒作的那樣發現了什麼"超光速"，負的群速度在這裡就不能理解為光的速度了，它也不是能量傳輸的速度。當然，這一實驗本身就說明我們人類對光的認識又前進了一步。對這個實驗的解釋只憑摺射率與群速度的關係這個公式是遠遠不夠的，這其中包含了量子干涉的效應，涉及到對光的本質的認識，揭開蒙在"超光速實驗"頭上的面紗，仍然是科學家們奮鬥的目標。很多人在了解了這個實驗後就會想到能否用這種"超光速"效應來傳遞信息，在王的實驗中，"超光速"的脈衝不能攜帶有用的信息，因此也就無從談起信息的超光速傳遞，同樣能量的超光速傳輸也是不行的。與超光速實驗具有相同轟動效應的是另一種"超光速"現象quantum teleportation即量子超空間傳輸(或量子隱形傳態)，這個奇妙的現象因其與量子信息傳遞及量子計算機的實現有密切聯繫而引起人們的關注。所謂超空間，就是量子態的傳輸不是在我們通常的空間進行，因此就不會受光速極限的制約，瞬時地使量子態從甲地傳輸到乙地(實際上是甲地粒子的量子態信息被提取瞬時地在乙地粒子上再現)，這種量子信息的傳遞是不需要時間的，是真正意義的超光速(也可理解為超距作用)。在量子超空間傳輸的過程中，遵循量子不可克隆定律，通過量子糾纏態使甲乙粒子發生關聯，量子態的確定通過量子測量來進行，因此當甲粒子的量子態被探測後甲乙兩粒子瞬時塌縮到各自的本徵態，這時乙粒子的態就包含了甲粒子的信息。這種信息的傳遞是"超光速"的。但是，如果一位觀測者想要馬上知道傳送的信息是什麼，這是不可能的，因為此時粒子乙仍處於量子疊加態，對它的測量不能得到完全的信息，我們必須知道對甲粒子採取了什麼測量，所以不得不通過現實的信息傳送方式(如電話，網絡等)告訴乙地的測量者甲粒子此時的狀態。最終，我們獲得信息的速度還是不能超過光速!量子超空間傳輸的實驗已在1997年實現了(見Nature,390,575.1997)。以上兩個超光速的方案還只處於理論探討和實驗階段，離實用還有很遠的距離，而且這兩個問題都涉及到物理學的本質，實驗現象及其解釋都在爭論之中
相關成果
宇宙暴漲
相對論限定，物體在空間中運行速度不能達到或超越光速，但沒有限定時空本身，所以宇宙暴漲速度能超過光速。
切倫科夫效應
媒質中的光速比真空中的光速小，粒子在媒質中的傳播速度可能超過媒質中的光速，在這種情況下會發生輻射(切倫科夫輻射)，稱為切侖科夫效應(Cherenkov effect)。媒質中的光速比真空中的光速小，粒子在媒質中的傳播速度可能超過媒質中的光速，在這種情況下會發生輻射，稱為切侖科夫效應。這不是真正意義上的超光速，真正意義上的超光速是指超過真空中的光速。一般來說，肉眼看不見切倫科夫效應，但是當它的強度很大時，會在屏蔽某些核反應堆的池水中出現微弱的淺藍色的光輝。在這種情況下，看得見的切倫科夫輻射是由於反應堆射來的高能電子的速度比光在水中的速度大而比光在真空中的速度小的原因引起的。也就是說，這時高能電子的速度在2.25×10m/s與3×10m/s之間。在日常生活中，也可找到切倫科夫效應的例子。例如，當船在水中以大於水波的波速運動時，船前的波就可以看成是切倫科夫效應的例子。又例如，在空氣中，一架噴氣式飛機以大於聲速運動時，飛機前頭的空氣波。也可以作為說明切倫科夫效應的例子。
第三觀察者
如果A相對於C以0.6c的速度向東運動，B相對於C以0.6c的速度向西運動。對於C來說，A和B之間的距離以1.2c的速度增大。這種"速度"--兩個運動物體之間相對於第三觀察者的速度--可以超過光速。但是兩個物體相對於彼此的運動速度並沒有超過光速。在這個例子中，在A的坐標系中B的速度是0.88c。在B的坐標系中A的速度也是0.88c。
影子和光斑
在燈下晃動你的手，你會發現影子的速度比手的速度要快。影子與手晃動的速度之比等於它們到燈的距離之比。如果你朝月球晃動手電筒，你很容易就能讓落在月球上的光斑的移動速度超過光速。遺憾的是，不能以這種方式超光速地傳遞信息。影子和與手晃動的速度之比確實等於它們到燈的距離之比，但影子的最快速度不會超過光速.光斑也是如此.假設有一個仰角為60度的斜坡，一個物體以0.6C的速度水平運動，那麼理論上在斜坡上的投影的速度是1.2C，實際上影子最大速度為C.現象表現為影子不會出現於該物體垂直投射的方位，而是會滯後。
剛體
敲一根棍子的一頭，振動會不會立刻傳到另一頭?這豈不是提供了一種超光速通訊方式?很遺憾，理想的剛體是不存在的，振動在棍子中的傳播是以聲速進行的，而聲速歸根結底是電磁作用的結果，因此不可能超過光速。(一個有趣的問題是，豎直地拎着一根棍子的上端，突然鬆手，是棍子的上端先開始下落還是棍子的下端先開始下落?答案是上端。)
相速度
光在媒質中的相速度在某些頻段可以超過真空中的光速。相速度是指連續的(假定信號已傳播了足夠長的時間，達到了穩定狀態)的正弦波在媒質中傳播一段距離後的相位滯後所對應的"傳播速度"。很顯然，單純的正弦波是無法傳遞信息的。要傳遞信息，需要把變化較慢的波包調製在正弦波上，這種波包的傳播速度叫做群速度，群速度是小於光速的。(譯者注:索末菲和布里淵關於脈衝在媒質中的傳播的研究證明了有起始時間的信號[在某時刻之前為零的信號]在媒質中的傳播速度不可能超過光速。)
超光速星系
朝我們運動的星系的視速度有可能超過光速。這是一種假象，因為沒有修正從星繫到我們的時間的減少。舉一個例子:假如我們測量一個離我們10光年的星系，它的運動速度為2/3 c，並且朝向地球運動。這時測量，測出的距離卻是30光年，因為它當時發出的光到時，星系恰到達10光年處。3年後，星繫到了8光年處，那末視距離為8光年的3倍，即24光年。結果，3年中，視距離減小了6光年……
相對論火箭
地球上的人看到火箭以0.8c的速度遠離，火箭上的時鐘相對於地球上的人變慢，是地球時鐘的0.6倍。如果用火箭移動的距離除以火箭上的時間，將得到一個"速度"是4/3 c。(這裡有問題，首先，以火箭做為參考系，火箭的速度是0，這時候只能計算地球遠離火箭的速度，火箭參考系的時間是地球的0.6倍，地球遠離火箭的速度=0.6*0.8c/0.6=0.8c)因此，火箭上的人是以"相當於"超光速的速度運動。對於火箭上的人來說，時間沒有變慢，但是星系之間的距離縮小到原來的0.6倍，因此他們也感到是以相當於4/3 c的速度運動。這裡問題在於這種用一個坐標系的距離除以另一個坐標系中的時間所得到的數不是真正的速度。
萬有引力傳播的速度
萬有引力傳播的速度為光速，在相對論中，萬有引力的存在只是時空的彎曲的後果，並不是實際存在的一種力，且這種"後果"以光速傳播。
EPR悖論
1935年Einstein，Podolski和Rosen發表了一個思想實驗試圖表明量子力學的不完全性。他們認為在測量兩個分離的處於entangled state的粒子時有明顯的超距作用。Ebhard證明了不可能利用這種效應傳遞任何信息，因此超光速通信不存在。但是關於EPR悖論仍有爭議。
虛粒子
在量子場論中力是通過虛粒子來傳遞的。由于海森堡不確定性這些虛粒子可以以超光速傳播，但是虛粒子只是數學符號，超光速旅行或通信仍不存在。
量子隧道
量子隧道是粒子逃出高於其自身能量的勢壘的效應，在經典物理中這種情況不可能發生。計算一下粒子穿過隧道的時間，會發現粒子的速度超過光速。 Ref: T. E. Hartman,J. Appl. Phys. 33,3427 (1962)一群物理學家做了利用量子隧道效應進行超光速通信的實驗:他們聲稱以4.7c的速度穿過11.4cm寬的勢壘傳輸了莫扎特的第40交響曲。當然，這引起了很大的爭議。大多數物理學家認為，由于海森堡不確定性，不可能利用這種量子效應超光速地傳遞信息。如果這種效應是真的，就有可能在一個高速運動的坐標系中利用類似裝置把信息傳遞到過去。Ref: W. Heitmann and G. Nimtz,Phys Lett A196,154 (1994); A. Enders and G. Nimtz,Phys Rev E48,632 (1993)Terence Tao認為上述實驗不具備說服力。信號以光速通過11.4cm的距離用不了0.4納秒，但是通過簡單的外插就可以預測長達1000納秒的聲信號。因此需要在更遠距離上或者對高頻隨機信號作超光速通信的實驗。
卡西米(Casimir)效應
當兩塊不帶電荷的導體板距離非常接近時，它們之間會有非常微弱但仍可測量的力，這就是卡西米效應。卡西米效應是由真空能(vacuum energy)引起的。Scharnhorst的計算表明，在兩塊金屬板之間橫向運動的光子的速度必須略大於光速(對於一納米的間隙，這個速度比光速大10-24)。在特定的宇宙學條件下(比如在宇宙弦(cosmicstring)的附近[假如它們存在的話])，這種效應會顯著得多。但進一步的理論研究表明不可能利用這種效應進行超光速通信。 Ref: K. Scharnhorst,Physics Letters B236,354 (1990) S. Ben-Menahem,Physics Letters B250,133 (1990) Andrew Gould (Princeton,Inst. Advanced Study). IASSNS-AST-90-25Barton & Scharnhorst,J Phys A26,2037 (1993)
超光速辨析
超光速理論尚不能被我們理解，但聰明的人類是否窺測到其中的奧妙?首先，我們必須了解到我們作為人的局限性。在靜止的慣性系下我們對於時間的認識是通過相同時間段內的物體位移來累加，而對於Δt，也即最小單位時間我們卻無從下手。但因為我們是人，不是神，必然有一個與我們的思維時空相對應。如愛因斯坦提出光速不變原理，我們可想象成光變為秒針的格，每秒光走過一格，也即光速不變實際上是指我們作為參照系中的觀察者，本身對時間間隔Δt的感知是恆定的，光速不變是以這個感知頻次的恆定為前提條件的。我們的觀察自我感覺是連續的，實際上是有一個頻次的。根據愛因斯坦的質能方程E=mc^2,我們知道靜止質量的消失並不意味着真空，而是以其它形式體現出來，因此我們需要重新界定數字的意義。當物體達到光速(雖然理論上不太可能)，其視界與我們相切。根據光速不變原理，也即電磁波傳播速度不變原理，我們知道每個參照系下的觀察頻次以觀察者為主不動搖，觀察者雖然在連續觀察，但也是通過辨別來認識事物，我們可以對所謂的連續觀察進行辨別時間切片，也即該辨別時間間隔與光速是同步的不動搖。當物體達到光速時，已經與我們的辨別時間切片達到1:1的範疇，此時我們參照系的觀察者既無法認識光速的物體，物體也無法響應觀察者。雖然此時視界脫離，但我們不取為0點，而取此時為1.即觀察者與物體是沿着比例為1的絕對時空觀平行前進，只是該物體與我們的觀察時間切片平行，我們無法獲取到任何相關信息，但並不表示該物體不存在，所以取此時為1. 當物體繼續加速，是否時光就倒流了那?答案顯然是否定的，當以1為取點時，超距也即超過光速的作用被移到分母，也即變為1/X 的模式(因為我沒有相對的變換數字的計算方法，希望有科學家進行相關數據的探討)，此時我們仍舊無法直接觀察或認知到該物體。我們此時時間觀察切片為1，而物體的運動切片可能為2，也即我們會丟失掉一格的觀察。不過我們聰明，可以自降頻率，也即我取物體的運動切片每2個取樣1次。這個的意思就是我們觀察到該物體不連續的，可能該物體突然出現，又突然湮沒，我們不明所以，但其實只是我們的觀察跟不上物體的時空轉換了。我們平常自認為的邏輯就是物質不會憑空產生，也不會憑空消失，物質連續不斷，而超距的作用會使這些實現，但不會是時間倒流，如果我們取為1點，就很容易理解了。超光速導致很多現象，如脈衝星，其運行速度超過光速(非自轉)，我們將觀察為脈衝形式，從我們的參照系觀察，脈衝星頻率越高，其超越光速的速度越小，脈衝星頻率越低其速度超越光速越大。而黑洞則是速度剛好等於光速的星體。
超光速原理
人類並未完全理解和完整闡釋基礎理論機構，尤其是牛頓三定律--運動力學的研究。我們的理解一直沉溺在宏觀上的研究。正確的方向，應該發展的是去完整闡釋，牛頓三定律在微觀上的運動本質根源。但是很多人沒有意識到科學定律和生活中的細節。我們的研究開始，僅僅是來自一束光--一束透過玻璃的光。然後揭開物質運動和"速度"本質。光透過玻璃不僅僅有折射和動量守恆的結果，還有速度的變化的過程。而這個過程，就是無意中讓我們窺探到運動"速度"的微觀本質奧秘。外因總是通過內因才能改變事物狀態。我們以此思想為突破物質運動微觀本質的指導。物質運動"速度"的根源，必定有一個內因存在，然後才能讓我們看見宏觀的外在現象--即牛頓三定律可以解釋和看到的現象。當然，也許或者可能還存在牛頓三定律無法看到的更廣義的"極端"現象。作為嚴謹的科學研究，我們不可能只拿光透過玻璃這個現象來論證自己的理論。為此我們找了許多年，看了許多基礎實驗的可以查證結果的現象。終於讓我們找到了"正反電子接觸湮滅瞬間變成高能光子"的現象。正反電子湮滅的過程，就是非常明顯的物質粒子內部某種結構破壞和重組產生的現象過程。這也是"內因改變外因"的最有利證據。因此，我們在一定程度上解釋了物質運動"速度"的奧秘，並在此基礎理論框架的基礎之上，推演出了"物質運動超光速原理"、解釋了極端情況下動量不守恆和太陽日冕百萬度高溫的成因、宇宙奇點大爆炸之前的宇宙、對"宇宙空間"的闡釋和"宇宙膨脹"天體紅移現象、甚至推演出一種極有可行的"時空穿梭"方法。
其他信息
- 1981年，物理學家尼克·赫爾伯特(Nick Herbert)利用量子力學的特殊性質設計了一個超光速通訊系統。對它糾錯的過程推進了我們對量子世界的全新理解。赫爾伯特的系統叫做FLASH(閃電)，是"first laser-amplified superluminal hookup"(第一台激光放大超光速傳輸器)的首字母縮寫，它使用了一個向相反方向成對釋放光子的光子源。這個計劃利用了光子的偏振特性，即沿着它們所處的電場方向振動。當它們所處的電場沿水平方向(H)或是垂直方向(V)振動時，光子可能發生平面偏振;如果電場沿右螺旋(R)或左螺旋(L)方向振動，光子則可能發生圓偏振。物理學家很早就知道，這兩種偏振方式(平面或者圓)之間是密切相關的。平面偏振光可以用來產生圓偏振光，反之亦然。
- 例如，一束水平偏振光由等量的右旋偏振光和左旋偏振光(L)以特殊的方式組成，同理一束右旋偏振光可以被分解為等量的水平偏振光和垂直偏振光。這對於單個的光子也成立:例如，一個右旋偏振的光子的狀態可以被分解為水平偏振和垂直偏振的特殊複合。如果對一個右旋狀態的光子測量平面偏振而不是圓偏振，則發現水平偏振狀態或垂直偏振狀態的概率是相等的，這就是單粒子版本的薛定諤的貓。在赫爾伯特的假想實驗中，一名物理學家愛麗絲(想象出來的"觀測者A")可以選擇測量在她面前經過的光子的平面偏振或圓偏振特性。如果她選擇測量平面偏振，她將有相等的概率觀測到水平或垂直偏振。如果她選擇測量圓偏振，她就有相等的概率得到右旋或左旋偏振。
- 另外，愛麗絲知道光子源的性質決定了對於她測量的每個光子，有另一個與之糾纏的光子正奔向她的同伴鮑勃。量子糾纏意味着兩個光子表現得就像一枚硬幣的兩面:如果一個被測出處於右旋偏振狀態，另一個則必然是左旋偏振;或者如果一個被測出處於水平偏振狀態，另一個一定是垂直偏振。根據貝爾定理，光子源使得愛麗絲對偏振性質(平面或圓)測量的選擇將立即影響到另一顆光子，也就是向鮑勃的方向移動的光子。如果她選擇測量平面偏振並碰巧觀測結果為水平偏振狀態，那麼飛向鮑勃的與之糾纏的光子將立即進入垂直偏振狀態。如果她選擇了測量圓偏振並且結果為右旋偏振，那麼糾纏的光子會立即進入左旋偏振狀態。是赫爾伯特大顯身手的時候了。第二顆光子在到達鮑勃的探測器前，先進入一個激光增益管。那時激光的使用已經有二十年了，激光器產生的激光和輸入信號具有一致的偏振特性，就像教科書里的老生常談一樣。也就是說，激光器會產生一束性質和愛麗絲髮現的任何狀態互補的的光子。那麼鮑勃就可以分離這束激光，把一半輸往一個測量平面極化性質的探測器，另一半輸往一個測量圓極化性質的探測器。如果愛麗絲選擇了測量圓偏振並正好發現了左旋偏振，那麼飛向鮑勃的光子將在進入激光增益管前立即進入右旋偏振狀態。
- 激光器將向鮑勃發射一束右旋偏振光子，他接下來要把一半發往平面偏振探測器，另一半發往圓偏振探測器。赫爾伯特推斷，在這種情況下，鮑勃會發現一半光子處於右旋偏振狀態，沒有一個是左旋的，水平偏振和垂直偏振的各占四分之一。一瞬間，鮑勃就可以知道愛麗絲選擇了測量圓偏振。愛麗絲的選擇--平面或圓偏振--可以起到像莫爾斯電碼的點和劃一樣的作用。只要通過改變對偏振類型測量的選擇，她就能向鮑勃發送信號。鮑勃可以用比在他們間傳遞的光更快的速度破解愛麗絲髮送的每一段密碼。就像GianCarlo Ghiradi，Tullio Weber，WojciechZurek，Bill Wootters和Dennis Dieks分別指出的那樣，赫爾伯特的裝置實際上並不能實現超光速通信。例如，一顆右旋偏振的光子是以等量的水平偏振和垂直偏振狀態複合存在的。每一種隱藏的狀態都會被激光器放大，因此輸出信號將是兩個狀態的疊加:一半里所有的光子都是水平偏振，另一半中所有的光子都是垂直偏振，每種狀態出現的概率都是50%。鮑勃永遠不可能同時發現半是水平偏振半是垂直偏振的狀態，就像物理學家永遠不可能在打開盒子的時候發現薛定諤的貓半死半活。
- 因此，鮑勃只會收到一個噪音信號，不管愛麗絲那邊做出什麼選擇。在每一個時刻，鮑勃的探測器會顯示水平和右旋，垂直和左旋或者水平和右旋，等等，都是隨機的組合。他永遠不會得到水平、垂直和右旋的組合，因此他無法得知愛麗絲想給他傳遞什麼信息。畢竟量子糾纏和相關性是可以同時存在的。這個發現隨即被稱為"量子不可克隆定理":一個隨機或者未知的量子狀態不可能在初始狀態不受干擾的情況下被複製。這是作為量子理論基石的一個強有力的命題，在尼克·赫爾伯特和他的天才反對者開始貓捉老鼠的遊戲前，沒有人意識到這個量子理論的基本特性。量子力學給所有人的能力設置了界限，包括可能的竊聽者，使他們無法捕捉並複製單獨的量子粒子，這個事實立即成為了量子加密術的理論基礎，它已成為欣欣向榮的量子信息科學領域的核心。
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