超光速

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超光速
中文名称：超光速所属学科：物理所属领域：速度

超光速(faster-than-light, FTL或称superluminality)，即大于光在真空中传播的速度(299792458m/s)。会成为一个讨论题目，源自于相对论中于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制，光速(真空中大约为3亿米/秒，光速定义值c=299792458m/s=299792.458km/s)成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。除非世上存在自旋超过5的粒子，不然是不可能达到的。(因为超光速超越了光速)^[1]

探究报道

2011年9月22日，意大利物理学家在OPERA实验中发现了一种超光速的中微子，如果实验数据确凿无误，爱因斯坦在相对论中提出的"超光速会形成黑洞"将会受到挑战。OPERA的此次实验由位于意大利中部山区的格兰萨索国家实验室(LNGS)与位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织(CERN)合作进行，实验结果基于对16,111次中微子测量事件的观察, 标示出了中微子的旅行速度以40322.58分之一超出光速, 为现实中宇宙速度的极限。考虑到这是一个潜在的影响深远的结果，在结论被反对或坚实建立之前，还需要更多独立没有干扰的测量。但是该实验最终错误，是测量人员的技术失误。于2012年6月8日向世界公布实验错误。

历史研究

发现历程

2000年7月，由于英国《自然》(Nature, 2000, 406:277)杂志发表了一篇关于"超光速"实验的论文，引起了人们对超光速到底是否存在的讨论。其实对在介质中使光脉冲的群速度超过真空中光速c，科学家们早有研究，而Nature中报道的这个实验就是实现了这种想法。但是这并非是人们想象的那种所谓违反因果律(或者相对论)的超光速，为了说明这个问题，让我们看一看由华人科学家王力军所做的这个实验。光脉冲是由不同频率、振幅、相位的光波组成的波包，光脉冲的每个成分的速度称为相速度，波包峰的速度称为群速度。在真空中二者是相同的，但是在介质中如我们所知道的存在如下的群速度与介质。

折射率的关系:

vg = c / ng ， ng = n + ω(dn/dω) 显然在一定的情况下(如反常色散很强的介质)可以出现负的群速度，此时，光脉冲在介质中传播比真空中花的时间短，其差ΔT = (L/v) - (L/c)达到绝对值足够大时就可以观察到"超光速"现象，即"光脉冲峰值进入介质以前，在另一边已经有脉冲峰出射了"(由王力军原文译)。那么这种超光速是不是违背因果律呢?我们仔细考查王的实验就会发现，出射光脉冲虽然是在入射脉冲峰值进入介质之前出现的，但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了(如图)，因此出射脉冲可以看作是由入射脉冲前沿与介质相互作用产生的。其实王的实验重要意义正在于实现了可观测的负群速度的这一现象，而不是像媒体炒作的那样发现了什么"超光速"，负的群速度在这里就不能理解为光的速度了，它也不是能量传输的速度。当然，这一实验本身就说明我们人类对光的认识又前进了一步。对这个实验的解释只凭折射率与群速度的关系这个公式是远远不够的，这其中包含了量子干涉的效应，涉及到对光的本质的认识，揭开蒙在"超光速实验"头上的面纱，仍然是科学家们奋斗的目标。很多人在了解了这个实验后就会想到能否用这种"超光速"效应来传递信息，在王的实验中，"超光速"的脉冲不能携带有用的信息，因此也就无从谈起信息的超光速传递，同样能量的超光速传输也是不行的。与超光速实验具有相同轰动效应的是另一种"超光速"现象quantum teleportation即量子超空间传输(或量子隐形传态)，这个奇妙的现象因其与量子信息传递及量子计算机的实现有密切联系而引起人们的关注。所谓超空间，就是量子态的传输不是在我们通常的空间进行，因此就不会受光速极限的制约，瞬时地使量子态从甲地传输到乙地(实际上是甲地粒子的量子态信息被提取瞬时地在乙地粒子上再现)，这种量子信息的传递是不需要时间的，是真正意义的超光速(也可理解为超距作用)。在量子超空间传输的过程中，遵循量子不可克隆定律，通过量子纠缠态使甲乙粒子发生关联，量子态的确定通过量子测量来进行，因此当甲粒子的量子态被探测后甲乙两粒子瞬时塌缩到各自的本征态，这时乙粒子的态就包含了甲粒子的信息。这种信息的传递是"超光速"的。但是，如果一位观测者想要马上知道传送的信息是什么，这是不可能的，因为此时粒子乙仍处于量子叠加态，对它的测量不能得到完全的信息，我们必须知道对甲粒子采取了什么测量，所以不得不通过现实的信息传送方式(如电话，网络等)告诉乙地的测量者甲粒子此时的状态。最终，我们获得信息的速度还是不能超过光速!量子超空间传输的实验已在1997年实现了(见Nature,390,575.1997)。以上两个超光速的方案还只处于理论探讨和实验阶段，离实用还有很远的距离，而且这两个问题都涉及到物理学的本质，实验现象及其解释都在争论之中

切伦科夫效应

媒质中的光速比真空中的光速小，粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质中的光速，在这种情况下会发生辐射(切伦科夫辐射)，称为切仑科夫效应(Cherenkov effect)。媒质中的光速比真空中的光速小，粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质中的光速，在这种情况下会发生辐射，称为切仑科夫效应。这不是真正意义上的超光速，真正意义上的超光速是指超过真空中的光速。一般来说，肉眼看不见切伦科夫效应，但是当它的强度很大时，会在屏蔽某些核反应堆的池水中出现微弱的浅蓝色的光辉。在这种情况下，看得见的切伦科夫辐射是由于反应堆射来的高能电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。也就是说，这时高能电子的速度在2.25×10m/s与3×10m/s之间。在日常生活中，也可找到切伦科夫效应的例子。例如，当船在水中以大于水波的波速运动时，船前的波就可以看成是切伦科夫效应的例子。又例如，在空气中，一架喷气式飞机以大于声速运动时，飞机前头的空气波。也可以作为说明切伦科夫效应的例子。

第三观察者

如果A相对于C以0.6c的速度向东运动，B相对于C以0.6c的速度向西运动。对于C来说，A和B之间的距离以1.2c的速度增大。这种"速度"--两个运动物体之间相对于第三观察者的速度--可以超过光速。但是两个物体相对于彼此的运动速度并没有超过光速。在这个例子中，在A的坐标系中B的速度是0.88c。在B的坐标系中A的速度也是0.88c。

影子和光斑

在灯下晃动你的手，你会发现影子的速度比手的速度要快。影子与手晃动的速度之比等于它们到灯的距离之比。如果你朝月球晃动手电筒，你很容易就能让落在月球上的光斑的移动速度超过光速。遗憾的是，不能以这种方式超光速地传递信息。影子和与手晃动的速度之比确实等于它们到灯的距离之比，但影子的最快速度不会超过光速.光斑也是如此.假设有一个仰角为60度的斜坡，一个物体以0.6C的速度水平运动，那么理论上在斜坡上的投影的速度是1.2C，实际上影子最大速度为C.现象表现为影子不会出现于该物体垂直投射的方位，而是会滞后。

刚体

敲一根棍子的一头，振动会不会立刻传到另一头?这岂不是提供了一种超光速通讯方式?很遗憾，理想的刚体是不存在的，振动在棍子中的传播是以声速进行的，而声速归根结底是电磁作用的结果，因此不可能超过光速。(一个有趣的问题是，竖直地拎着一根棍子的上端，突然松手，是棍子的上端先开始下落还是棍子的下端先开始下落?答案是上端。)

相速度

光在媒质中的相速度在某些频段可以超过真空中的光速。相速度是指连续的(假定信号已传播了足够长的时间，达到了稳定状态)的正弦波在媒质中传播一段距离后的相位滞后所对应的"传播速度"。很显然，单纯的正弦波是无法传递信息的。要传递信息，需要把变化较慢的波包调制在正弦波上，这种波包的传播速度叫做群速度，群速度是小于光速的。(译者注:索末菲和布里渊关于脉冲在媒质中的传播的研究证明了有起始时间的信号[在某时刻之前为零的信号]在媒质中的传播速度不可能超过光速。)

超光速星系

朝我们运动的星系的视速度有可能超过光速。这是一种假象，因为没有修正从星系到我们的时间的减少。举一个例子:假如我们测量一个离我们10光年的星系，它的运动速度为2/3 c，并且朝向地球运动。这时测量，测出的距离却是30光年，因为它当时发出的光到时，星系恰到达10光年处。3年后，星系到了8光年处，那末视距离为8光年的3倍，即24光年。结果，3年中，视距离减小了6光年……

相对论火箭

地球上的人看到火箭以0.8c的速度远离，火箭上的时钟相对于地球上的人变慢，是地球时钟的0.6倍。如果用火箭移动的距离除以火箭上的时间，将得到一个"速度"是4/3 c。(这里有问题，首先，以火箭做为参考系，火箭的速度是0，这时候只能计算地球远离火箭的速度，火箭参考系的时间是地球的0.6倍，地球远离火箭的速度=0.6*0.8c/0.6=0.8c)因此，火箭上的人是以"相当于"超光速的速度运动。对于火箭上的人来说，时间没有变慢，但是星系之间的距离缩小到原来的0.6倍，因此他们也感到是以相当于4/3 c的速度运动。这里问题在于这种用一个坐标系的距离除以另一个坐标系中的时间所得到的数不是真正的速度。

万有引力传播的速度

万有引力传播的速度为光速，在相对论中，万有引力的存在只是时空的弯曲的后果，并不是实际存在的一种力，且这种"后果"以光速传播。

EPR悖论

1935年Einstein，Podolski和Rosen发表了一个思想实验试图表明量子力学的不完全性。他们认为在测量两个分离的处于entangled state的粒子时有明显的超距作用。Ebhard证明了不可能利用这种效应传递任何信息，因此超光速通信不存在。但是关于EPR悖论仍有争议。

虚粒子

在量子场论中力是通过虚粒子来传递的。由于海森堡不确定性这些虚粒子可以以超光速传播，但是虚粒子只是数学符号，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于其自身能量的势垒的效应，在经典物理中这种情况不可能发生。计算一下粒子穿过隧道的时间，会发现粒子的速度超过光速。 Ref: T. E. Hartman,J. Appl. Phys. 33,3427 (1962)一群物理学家做了利用量子隧道效应进行超光速通信的实验:他们声称以4.7c的速度穿过11.4cm宽的势垒传输了莫扎特的第40交响曲。当然，这引起了很大的争议。大多数物理学家认为，由于海森堡不确定性，不可能利用这种量子效应超光速地传递信息。如果这种效应是真的，就有可能在一个高速运动的坐标系中利用类似装置把信息传递到过去。Ref: W. Heitmann and G. Nimtz,Phys Lett A196,154 (1994); A. Enders and G. Nimtz,Phys Rev E48,632 (1993)Terence Tao认为上述实验不具备说服力。信号以光速通过11.4cm的距离用不了0.4纳秒，但是通过简单的外插就可以预测长达1000纳秒的声信号。因此需要在更远距离上或者对高频随机信号作超光速通信的实验。

卡西米(Casimir)效应

当两块不带电荷的导体板距离非常接近时，它们之间会有非常微弱但仍可测量的力，这就是卡西米效应。卡西米效应是由真空能(vacuum energy)引起的。Scharnhorst的计算表明，在两块金属板之间横向运动的光子的速度必须略大于光速(对于一纳米的间隙，这个速度比光速大10-24)。在特定的宇宙学条件下(比如在宇宙弦(cosmicstring)的附近[假如它们存在的话])，这种效应会显著得多。但进一步的理论研究表明不可能利用这种效应进行超光速通信。 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

超光速理论尚不能被我们理解，但聪明的人类是否窥测到其中的奥妙?首先，我们必须了解到我们作为人的局限性。在静止的惯性系下我们对于时间的认识是通过相同时间段内的物体位移来累加，而对于Δt，也即最小单位时间我们却无从下手。但因为我们是人，不是神，必然有一个与我们的思维时空相对应。如爱因斯坦提出光速不变原理，我们可想象成光变为秒针的格，每秒光走过一格，也即光速不变实际上是指我们作为参照系中的观察者，本身对时间间隔Δt的感知是恒定的，光速不变是以这个感知频次的恒定为前提条件的。我们的观察自我感觉是连续的，实际上是有一个频次的。根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2,我们知道静止质量的消失并不意味着真空，而是以其它形式体现出来，因此我们需要重新界定数字的意义。当物体达到光速(虽然理论上不太可能)，其视界与我们相切。根据光速不变原理，也即电磁波传播速度不变原理，我们知道每个参照系下的观察频次以观察者为主不动摇，观察者虽然在连续观察，但也是通过辨别来认识事物，我们可以对所谓的连续观察进行辨别时间切片，也即该辨别时间间隔与光速是同步的不动摇。当物体达到光速时，已经与我们的辨别时间切片达到1:1的范畴，此时我们参照系的观察者既无法认识光速的物体，物体也无法响应观察者。虽然此时视界脱离，但我们不取为0点，而取此时为1.即观察者与物体是沿着比例为1的绝对时空观平行前进，只是该物体与我们的观察时间切片平行，我们无法获取到任何相关信息，但并不表示该物体不存在，所以取此时为1. 当物体继续加速，是否时光就倒流了那?答案显然是否定的，当以1为取点时，超距也即超过光速的作用被移到分母，也即变为1/X 的模式(因为我没有相对的变换数字的计算方法，希望有科学家进行相关数据的探讨)，此时我们仍旧无法直接观察或认知到该物体。我们此时时间观察切片为1，而物体的运动切片可能为2，也即我们会丢失掉一格的观察。不过我们聪明，可以自降频率，也即我取物体的运动切片每2个取样1次。这个的意思就是我们观察到该物体不连续的，可能该物体突然出现，又突然湮没，我们不明所以，但其实只是我们的观察跟不上物体的时空转换了。我们平常自认为的逻辑就是物质不会凭空产生，也不会凭空消失，物质连续不断，而超距的作用会使这些实现，但不会是时间倒流，如果我们取为1点，就很容易理解了。超光速导致很多现象，如脉冲星，其运行速度超过光速(非自转)，我们将观察为脉冲形式，从我们的参照系观察，脉冲星频率越高，其超越光速的速度越小，脉冲星频率越低其速度超越光速越大。而黑洞则是速度刚好等于光速的星体。

超光速原理

人类并未完全理解和完整阐释基础理论机构，尤其是牛顿三定律--运动力学的研究。我们的理解一直沉溺在宏观上的研究。正确的方向，应该发展的是去完整阐释，牛顿三定律在微观上的运动本质根源。但是很多人没有意识到科学定律和生活中的细节。我们的研究开始，仅仅是来自一束光--一束透过玻璃的光。然后揭开物质运动和"速度"本质。光透过玻璃不仅仅有折射和动量守恒的结果，还有速度的变化的过程。而这个过程，就是无意中让我们窥探到运动"速度"的微观本质奥秘。外因总是通过内因才能改变事物状态。我们以此思想为突破物质运动微观本质的指导。物质运动"速度"的根源，必定有一个内因存在，然后才能让我们看见宏观的外在现象--即牛顿三定律可以解释和看到的现象。当然，也许或者可能还存在牛顿三定律无法看到的更广义的"极端"现象。作为严谨的科学研究，我们不可能只拿光透过玻璃这个现象来论证自己的理论。为此我们找了许多年，看了许多基础实验的可以查证结果的现象。终于让我们找到了"正反电子接触湮灭瞬间变成高能光子"的现象。正反电子湮灭的过程，就是非常明显的物质粒子内部某种结构破坏和重组产生的现象过程。这也是"内因改变外因"的最有利证据。因此，我们在一定程度上解释了物质运动"速度"的奥秘，并在此基础理论框架的基础之上，推演出了"物质运动超光速原理"、解释了极端情况下动量不守恒和太阳日冕百万度高温的成因、宇宙奇点大爆炸之前的宇宙、对"宇宙空间"的阐释和"宇宙膨胀"天体红移现象、甚至推演出一种极有可行的"时空穿梭"方法。

其他信息

1981年，物理学家尼克·赫尔伯特(Nick Herbert)利用量子力学的特殊性质设计了一个超光速通讯系统。对它纠错的过程推进了我们对量子世界的全新理解。赫尔伯特的系统叫做FLASH(闪电)，是"first laser-amplified superluminal hookup"(第一台激光放大超光速传输器)的首字母缩写，它使用了一个向相反方向成对释放光子的光子源。这个计划利用了光子的偏振特性，即沿着它们所处的电场方向振动。当它们所处的电场沿水平方向(H)或是垂直方向(V)振动时，光子可能发生平面偏振;如果电场沿右螺旋(R)或左螺旋(L)方向振动，光子则可能发生圆偏振。物理学家很早就知道，这两种偏振方式(平面或者圆)之间是密切相关的。平面偏振光可以用来产生圆偏振光，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)以特殊的方式组成，同理一束右旋偏振光可以被分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光。这对于单个的光子也成立:例如，一个右旋偏振的光子的状态可以被分解为水平偏振和垂直偏振的特殊复合。如果对一个右旋状态的光子测量平面偏振而不是圆偏振，则发现水平偏振状态或垂直偏振状态的概率是相等的，这就是单粒子版本的薛定谔的猫。在赫尔伯特的假想实验中，一名物理学家爱丽丝(想象出来的"观测者A")可以选择测量在她面前经过的光子的平面偏振或圆偏振特性。如果她选择测量平面偏振，她将有相等的概率观测到水平或垂直偏振。如果她选择测量圆偏振，她就有相等的概率得到右旋或左旋偏振。
另外，爱丽丝知道光子源的性质决定了对于她测量的每个光子，有另一个与之纠缠的光子正奔向她的同伴鲍勃。量子纠缠意味着两个光子表现得就像一枚硬币的两面:如果一个被测出处于右旋偏振状态，另一个则必然是左旋偏振;或者如果一个被测出处于水平偏振状态，另一个一定是垂直偏振。根据贝尔定理，光子源使得爱丽丝对偏振性质(平面或圆)测量的选择将立即影响到另一颗光子，也就是向鲍勃的方向移动的光子。如果她选择测量平面偏振并碰巧观测结果为水平偏振状态，那么飞向鲍勃的与之纠缠的光子将立即进入垂直偏振状态。如果她选择了测量圆偏振并且结果为右旋偏振，那么纠缠的光子会立即进入左旋偏振状态。是赫尔伯特大显身手的时候了。第二颗光子在到达鲍勃的探测器前，先进入一个激光增益管。那时激光的使用已经有二十年了，激光器产生的激光和输入信号具有一致的偏振特性，就像教科书里的老生常谈一样。也就是说，激光器会产生一束性质和爱丽丝发现的任何状态互补的的光子。那么鲍勃就可以分离这束激光，把一半输往一个测量平面极化性质的探测器，另一半输往一个测量圆极化性质的探测器。如果爱丽丝选择了测量圆偏振并正好发现了左旋偏振，那么飞向鲍勃的光子将在进入激光增益管前立即进入右旋偏振状态。
激光器将向鲍勃发射一束右旋偏振光子，他接下来要把一半发往平面偏振探测器，另一半发往圆偏振探测器。赫尔伯特推断，在这种情况下，鲍勃会发现一半光子处于右旋偏振状态，没有一个是左旋的，水平偏振和垂直偏振的各占四分之一。一瞬间，鲍勃就可以知道爱丽丝选择了测量圆偏振。爱丽丝的选择--平面或圆偏振--可以起到像莫尔斯电码的点和划一样的作用。只要通过改变对偏振类型测量的选择，她就能向鲍勃发送信号。鲍勃可以用比在他们间传递的光更快的速度破解爱丽丝发送的每一段密码。就像GianCarlo Ghiradi，Tullio Weber，WojciechZurek，Bill Wootters和Dennis Dieks分别指出的那样，赫尔伯特的装置实际上并不能实现超光速通信。例如，一颗右旋偏振的光子是以等量的水平偏振和垂直偏振状态复合存在的。每一种隐藏的状态都会被激光器放大，因此输出信号将是两个状态的叠加: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，每种状态出现的概率都是50%。鲍勃永远不可能同时发现半是水平偏振半是垂直偏振的状态，就像物理学家永远不可能在打开盒子的时候发现薛定谔的猫半死半活。
因此，鲍勃只会收到一个噪音信号，不管爱丽丝那边做出什么选择。在每一个时刻，鲍勃的探测器会显示水平和右旋，垂直和左旋或者水平和右旋，等等，都是随机的组合。他永远不会得到水平、垂直和右旋的组合，因此他无法得知爱丽丝想给他传递什么信息。毕竟量子纠缠和相关性是可以同时存在的。这个发现随即被称为"量子不可克隆定理":一个随机或者未知的量子状态不可能在初始状态不受干扰的情况下被复制。这是作为量子理论基石的一个强有力的命题，在尼克·赫尔伯特和他的天才反对者开始猫捉老鼠的游戏前，没有人意识到这个量子理论的基本特性。量子力学给所有人的能力设置了界限，包括可能的窃听者，使他们无法捕捉并复制单独的量子粒子，这个事实立即成为了量子加密术的理论基础，它已成为欣欣向荣的量子信息科学领域的核心。

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