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超光速

超光速(英语:Faster-Than-Light, 或称Superluminal,简称FTL),是指物质、能量或信息的传播速度大于真空中的光速的物理学假设。真空中的光速用常数来表示,数值为 299,792,458 m/s。人们假设了一种速度超过光速的粒子,称之为快子(tachyon)。

19世纪末期开始,人们对光的性质进行了一系列探索;20世纪初,爱因斯坦对“光速不变论”进行了理论推演和论证。狭义相对论论证了光速极限——物质运动、能量传递和信息传播的速度不能超过真空中的光速,超光速作为一种假设开始进入人类视野。光速极限是相对论的基础,相互作用不能超光速传递,即满足局域性;而稍晚时间问世的量子力学对光速不变的结论却持保留态度。

到了21世纪,根据当前的科学理论,相对于局部扭曲的时空区域,物质和信息需要以低于光速(亚光速)的速度传播。人们发现了一些疑似超光速的现象,如量子纠缠宇宙膨胀、相速度群速度、影子、光斑等,物理学界普遍认为这些现象不携带能量和信息,并非真正意义上的超光速。此外,关于超光速的假设有可穿越虫洞、曲速引擎、快子等,这些假设仍然被广泛认为是不可能实现的,因为它们违反了当前对因果关系的理解,并且它们都需要奇特的机制才能发挥作用(例如需要外来物质)。

鉴于人们对因果关系限制以及与超光速相关的其他推测性概念知之甚少,物理学家仍在继续研究和考虑这些假设。迄今为止,人类还没有发明任何一种理论允许超光速地传输能量、物质、信息。

研究历史

早期探索——光速极限

19世纪末期开始,人们对光的性质进行了一系列探索。伴随着对光速问题的研究深入,人们发现了光速极限(极限 of light speed),提出了区别于艾萨克·牛顿绝对时空观的新观点,动摇了经典物理学的基础。

麦克斯韦方程组

19世纪,英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831—1879)建立了一组描述电场磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。从麦克斯韦方程组可以推论出电磁波在真空中以光速传播,并进而做出光是电磁波的猜想。德意志帝国物理学家赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857—1894)实验测定了电磁波的速度等于光速。

电磁辐射的量子形式是光子,电磁波不需要依靠介质进行传播,在真空中传播速度为光速。电磁辐射的速度不取决于发出辐射的物体本身运动的速度。阿尔伯特·爱因斯坦麦克斯韦方程组洞察发展出狭义相对论,成为狭义相对论的第二条基本原理:无论观察者处于什么参考系、无论光源的速度如何,所有观察者在真空中所测量到的光速都是相同的。正因如此,光速才可以作为一个基本物理常数来使用。

迈克尔逊-莫雷实验

1887年,阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Abraham Michelson,1852—1931)和莫雷(Edward Williams Morley,1838—1923)在美国克利夫兰用迈克尔逊干涉仪测量了两垂直光的光速差值,实验结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,即“光速不变论”。迈克尔逊-莫雷的实验结果对牛顿的绝对时空观产生了疑问,无法证明“以太”(绝对静止参考系)的存在,从而动摇了经典物理学基础,成为开尔文(Lord Kelvin,1824—1907)所说“经典物理学的两朵乌云"之一。

开端

狭义相对论

超光速的概念最早由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)提出。1905年,爱因斯坦提出狭义相对论(special relativity,SR)和光子学说。根据狭义相对论,物质运动、能量传递和信息传播的速度不能超过真空中的光速(c=299792458 m/s)。狭义相对论对速度的限定被称为“光速极限,即“ 光障”(light barrier),被为是物理学的基本法则之一。

1905年,爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文中,两次论证了“光速能否超过”有关的问题。

第一次论证

第一次是根据“球(或任意形状刚体)在运动方向在缩短”而论证的,当比值 V/c 不断增大时,缩短越来越厉害,以致当达到光速(V = c) 时,动体成为扁平;因此,对大于光速的速度(V \u003e c),讨论就变得毫无意义了。

按照狭义相对论给出的运动物体长度、质量、能量公式:

式中 , 是静止时的长度、质量,,是物质 (刚性球或电子)的运动速度。如在条件下讨论,当增加,将减小,和将增大;这就是 狭义相对论 中有名的推论——运动物体长度缩短,运动物质质量和能量增大。当时,会出现以下情况:球成为扁平,电子动能 (因其质量)成为无限大。因此,阿尔伯特·爱因斯坦认为,对于大于光速的速度 (),讨论不再有任何意义。

第二次论证

第二次是根据“电子的动能随 V/c 比值的加大而增大”而论证的。考虑到电子原来处在K系的坐标原点,在静电力作用下沿 Z 轴运动,故从静电场中取得的能量为。假定加速过程缓慢,不会以辐射损失能量,则取得的能量均可集中贮存起来,它就是电子的动能。

式中。因此,阿尔伯特·爱因斯坦说:“当 V= c,W就变成无限大,因此超光速的速度不可能存在。”

洛伦兹变换

早在1901年就有人注意到电子质量随速度加大而增加。1904年,荷兰理论物理学家亨德里克·洛伦兹(H.A.Lorentz,1853—1928)导出电子的质速公式:

狭义相对论的速度相加公式,如再引用动量守恒原理,同样可导出上式,因而它成为适用于任何粒子乃至物体运动的公式。如速度超光速,,m 成为虚数,而虚质量过去一直认为是无意义的。这也是狭义相对论理论说“不可能有超光速”的理由之一。

广义相对论

不同于狭义相对论,广义相对论的时空理论为虫洞的利用以及超光速可能性创造了前提。

1916年,广义相对论发表之后,奥地利的物理学家路德维希·弗拉姆(Ludwig Flamm,1885—1964)发现,假如适当选取拓扑,爱因斯坦场方程的解可以描述一个空的球形虫洞。

1935年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和内森·罗森(Nathan Rosen)合作发表了一篇名为《粒子与波之间的相互作用》的论文。在这篇论文中,他们首次提出了“爱因斯坦-罗森桥”的概念,即虫洞。根据广义相对论,他们发现在特定条件下,空间结构可以形成一种连通不同区域的桥梁。

1957年,美国物理学家约翰·阿切尔·惠勒(John Archibald Wheeler,1911—2008)在研究黑洞的过程中,发现爱因斯坦-罗森桥的概念与黑洞的性质有密切关联。1988年,物理学家基普·索恩(Kip Thorne,1940— )提出利用持续打开的虫洞来做超光速时间旅行的理论。

快子理论

20世纪60年代,在美国出现了第一批论述超光速可能性的文章。超光速粒子的近代研究开始于1962年,美籍俄罗斯帝国物理学家比拉纽克(Oleksa Myron Bilaniuk,1926-2009)和美籍印度学者乔治·苏达珊(ECG Sudarshan,1931-2018)提出虚质量的粒子是可能存在的。他们认为虽然不能通过加速使粒子达到光速或超过光速,但在“光障那边”(V \u003e c 区域)或许存在一种粒子其固有速度就在光速以上。

1967年,美国物理学家费因伯格(Gerald Feinberg,1933-1992)发表“超光速粒子的可能性”论文,标志着超光速粒子 (tachyon,快子) 理论的开始。

20世纪80年代中期,一些物理学家提出了超光速的粒子或机制的假设,如阿库别瑞驱动器、时间旅行、虚粒子等,但都没有得到广泛的认可或证实。

探索

20世纪80年代中期,科学界开始考虑以量子效应为基础做超光速实验的可能。G.Garrett和D.McCumber指出,可以在实验中保持脉冲不失真而观察到超光速的群速度甚至负群速度;1982年,C.Chu和 S.Wong用皮秒激光脉冲做实验证实了上述论断。

1982年,法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect,1947年6月15日—)领导的A.Aspect实验验证贝尔不等式,揭示了阿尔伯特·爱因斯坦鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森提出的EPR思想实验错误,在物理学界造成了新的轰动。一些科学家认为,量子力学非局域性(nonlocatity,也称非定域性)的存在被实验证明,相对论的局域性实在论观点存在问题,因而对狭义相对论理论中“不存在以太”、“光速c是速度最高极限”等结论都要重新考虑。

发展

20世纪90年代以来,由于对电磁理论(波导股份理论)和量子力学中的消失波的深入探索,用量子隧道效应 ( QTE,quantum tunneling effect)实现并观察超光速现象成为研究的热点。实验已经确认,在短波微波和光频段,均能够实现一个光子或一个电磁脉冲以超光速的速度穿过势垒。但尚未出现使物质波粒子(如电子) 通过位 (势) 垒的实验。

多国科学家在实验室中对超光速现象的获得及其规律进行研究。其中知名实验有:1998年G.Nimtz小组的微波超光速实验(音乐调制在微波信号上通过截止波导股份而实现超光速);R.Chiao(乔瑞雨) 小组的双光子赛跑实验(其中一路通过交叠介质层形成的位垒而实现超光速);王力军等用反常色散区域造成的负群速超光速实验;J. Webb小组的实验(由观测类星体发现精细结构常数异常推断宇宙早期的光速值比现在高),等等。在这些实验推动下,又产生了更多的研究与实验,在这一阶段超光速研究进一步发展。

超光速的理论基础

超光速研究的理论基础主要涉及相对论量子力学电磁学等领域,物理学家试图从不同的角度解释或推导超光速的可能性,但都存在一些问题或困难,没有得到普遍的接受或证明。

广义相对论

广义相对论是对狭义相对论的发展和延伸,在是否可能存在超光速运动的问题上,广义相对论中天河体育中心的超光速膨胀现象对狭义相对论提出了挑战;广义相对论的时空理论——宇宙并非平直,而是弯曲甚至有褶皱的;宇宙会因力而弯曲,产生引力的质量越大则弯曲越厉害,为虫洞的利用以及超光速可能性创造了前提。阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论是不允许时间旅行的,而数学家库尔特·卡塞雷斯(Kurt Gödel,1906—1978)在广义相对论方程中发现了一个解,允许一个存在闭合类时曲线 (closed 时间like curve)的时空,描述了可能实现超光速时间旅行的宇宙。

量子力学

尽管狭义相对论对超光速构成限制,但20世纪的另一主流理论量子力学中却没有这种限制。量子力学区别于研究宏观世界的经典物理学,具有以下特点,这些原理和结论是超光速研究的理论基础,预示着超光速现象发现的可能:

经典电磁理论

19世纪初产生了电磁波相速度概念。1839年W.R.Hamilton提出了群速的概念,在1877年由 Rayleigh所完善。1907 年,A.Sommerfeld 指出,在反常色散时相速、群速大于光速 ; 此外,在吸收强、频率依从性大的频段,群速不反映讯号速度

1914年,A.Sommerfeld 和 L.Brillouin 各发表了1 篇论文,系统而全面地论述了电磁波波速中的相速、群速、能速与信号速。Sommerfeld - Brillouin波速理论从经典电磁理论出发,是与狭义相对论不发生矛盾冲突的理论,其中既有“群速超光速”概念,又有“负群速”概念。

相关假设

常见的“超光速”现象有量子纠缠、空间膨胀、虫洞曲速引擎、快子、相速度群速度虚粒子、影子、光斑等,这些现象不是真正意义上的超光速。

一些自然现象不涉及能量、动量的传播,如影子、光斑等,这些“超光速”运动都只是表观现象或形式上的运动,它们不能传递联系因果关系的信息,因而并不与相对论互相抵触;还有一些是并非物理实在(physical reality)的超光速设想, 如虫洞、曲速引擎、快子;此外,一些数学概念和物理概念中很多事物不属于物质,比如时空、相位波函数等等,这些既不是由粒子组成的,又不属于某种场。相对论只限制了物质不能超光速,这些非物质不在相对论限定范围内,可以出现超光速现象而不与相对论矛盾。

物理学假说

物理学中一些概念假说是超光速的,相对论定义所有质量为0的物质一定以光速运动,如果质量低到比0还低的负数时就能超光速了。负质量或负能量的物质理论上会破坏相对论的“零能量条件”,实验上也没有证据,因此“虫洞曲速引擎、快子”超光速只是物理猜想。

快子

快子(tachyon)是物理学假设中以超光速运行的一类粒子,也称“超光速子”。tachyon源自希腊语tachy,意思是快,它们是慢子(tardyons)的对立面。快子理论是依照狭义相对论关于任何具有质量的粒子的运动速度都不可能达到或超过光速,或任何以超光速运行的粒子都将具有虚质量特性的推论提出的一种设想。

狭义相对论认为只有具有零静止质量的粒子(即光子)才能以光速传播,并且没有任何东西可以传播得更快,快子的存在将会导致因果律的破坏并意味着时间旅行,因此快子是不存在。但是,也有一些物理学家认为,相对论并不是终极的理论,可能存在一些能够突破光速限制的物理机制或现象。

虫洞与时间旅行

虫洞(worm hole)是一种由广义相对论推导出的物理学假设,虫洞理论成了现在关于超光速时间旅行的科幻小说的标准化理论,但创造一个虫洞需要改变时空的拓扑结构,这仅仅是在量子引力论中可能的假设。。

虫洞也被称作虫孔,有人称它为“强引力场宇宙结构产生的裂缝”,其大小仅为原子尺寸的 1/(10 亿)。虫洞与时间旅行的可能性建基于广义相对论——宇宙并非平直,而是弯曲甚至有褶皱的;引力会使时空弯曲,引力越强,则时空的弯曲程度越大。根据广义相对论,时间旅行的科学原理是通过一个时空的圈环回到过去,这个时空圈环在《时间简史》(A Brief History of Time)这本书中被斯蒂芬·霍金称为“闭合类时曲线”。广义相对论的时空理论为虫洞的利用以及超光速可能性创造了前提。

1988年,物理学家基普·索恩(Kip Thorne,1940— )提出利用持续打开的虫洞来做时间旅行的理论。计算证明为了靠引力使光束分散及撑开虫洞壁,必须用某种奇异物质贯穿虫洞,该奇异物具有负的平均能量密度。索恩的学生M.Morris进一步指出,如能让一个虫洞持续打开,或许它会允许星际间的超光速旅行。开一个虫洞需要负能量区域,Misner和Thorn建议在大尺度上利用卡西米尔效应产生负能量区域。Visser建议使用宇宙弦。这些理论都只是设想阶段。1995 年,英国的S.Hawking在星际推进协会(IPS)报告说,未来的太空旅行者可以从某点进入虫洞,再从成百上千光年的另一点出来,这种旅行是超光速的;虫洞的不稳定性使其难以实用。2000 年,俄罗斯学者I.Kasnikov说:大虫洞可以创造,只要搞出那种奇异物质,宇宙大爆炸后即有虫洞存在。

曲速引擎

曲速引擎(warp drive)是指以特定的方式让时空弯曲,从而使物体超光速运动的一种假设。时空的弯曲使得物体能以超光速旅行而同时保持在一条类时世界线上。跟虫洞一样,曲速引擎也需要具有负能量密度的物质。即使这种物质存在,也不清楚具体应如何布置这些物质来实现曲速引擎。

阿库别瑞的超光速时空气泡

1994年,墨西哥籍理论物理学家阿库别瑞根据阿尔伯特·爱因斯坦的发现提出设想,认为超光速在原则上是可行的。他用的办法很简单,写下一个四维时空,在这个弯曲时空中,远离飞船的地方时空是平坦的;在接近飞船的地方,时空形成一个“气泡”,而飞船封装在气泡中。时空本身可以以任何速度变形,如果宇宙飞船前面的时空收缩并在后面膨胀以进行补偿,那么就有可能以比光速更快的速度到达目的地。在气泡中,时空的曲率不大,这样不会导致飞船受到很大影响。

曲速环

2011年,美国航空航天局航空航天工程师哈罗德·怀特(Harold G. "Sonny" White,1965年10月8日—)发表了一篇题为《曲速场力学101》(Warp Field Mechanics 101)的论文,概述了阿库别瑞的超光速推进系统概念的更新理念,包括证明专案可行性的方法。阿库别瑞的曲速泡所需的负能量巨大,怀特重新计算了阿库别瑞的概念,并提出如果航天飞机周围的曲速气泡形状像一个环面(warp 圆环),就会减少负能量的需求,使这个概念趋近于可行。

数学模型

一些数学模型中定义的“速度”可以超光速,如相速度群速度虚粒子,它们是数学概念模型,并不代表物质或信息的传递。

相速度

相速度(相位 Velocity)是波包中某一单频波的相位移动速度,相速度描述了介质中某点相位变化的快慢。当电磁波穿过介质时,电磁波的相速度通常可以超过真空光速 。例如,大多数玻璃在X射线频率下都会发生这种情况。然而,波的相速度不能传递任何信息,高于的相速度并不意味着信号的传播速度高于。

群速度

群速度(基团 velocity)是波群的传播速度,群速度代表的是“振幅变化”(波包)的传递速度,表示一段波包的包络面上具有某特性的点的传播速度。科学家已用实验验证了“在特定介质中光脉冲的群速度超过真空中的光速”的设想。但是“超光速”的脉冲不能携带有用的信息,不能实现信息和能量的超光速传递,所以群速度超光速并不违反相对论和严格的因果律,不是真正意义上的超光速。

虚粒子

虚粒子(virtual Σ粒子)是在数学中创造的实际不存在的粒子,虚粒子能以任意速度运动。在量子场论中力是通过虚粒子来传递的。由于不确定性这些虚粒子可以以超光速传播,这种现象与静态场效应(在量子术语中由虚粒子介导)可能比光传播得更快这一事实有关。但是虚粒子只是数学符号,超光速信息传输或通信仍不存在。

非信息的超光速传播

影子和光斑

如果激光束扫过远处的物体,则可以轻松地使激光光点以大于的速度穿过物体。例如,如果朝月球晃动手电筒,很容易就能让落在月球上的光斑的移动速度超过光速。类似地,投射到远处物体上的阴影可以比更快地到达物体。但是在任何情况下,光从光源到物体的传播速度都不比快,任何信息的传播速度也不比光快。

这些运动没有与相对论发生抵触,其原因是每种情形中的运动所建立的是不同物体的前后相继的点之间的联系,而不是一个物体的位置的实际次序变化,用来联结运动所取的点之间并没有因果联系。

空间膨胀

宇宙空间膨胀使得星球之间超光速远离。相对论限定物体在时空中运行速度不能达到或超越光速,但没有限定时空本身,所以宇宙暴涨速度能超过光速,使其具有超过光速的“退行速度”。根据哈勃定律,宇宙的膨胀导致遥远的星系以比光速更快的速度远离我们——人们认为,今天距离我们约160亿光年以上的,其退行速度为比光还快。

广义相对论中,速度是一个局部概念,对于宇宙学上遥远的物体的相对速度没有唯一的定义,并且与哈勃定律相关的退行速度并不是相对论意义上的速度,也无法传递信息和能量。

量子纠缠

量子纠缠中波函数缩速度超光速,量子纠缠态 (quantum entangled state) 中的作用传递过程是不需要时间的,具有无限大速度,即超光速,也可理解为超距作用 (over distance action)。它允许某些相距甚远的事件以看似暗示超光速通信可能性的方式相互关联,从而给人一种表面上的印象,即信息传输速度比光快。

量子的这种纠缠态也被称为量子隐形传态(quantum teleporta-tion),被用于量子信息学及量子计算机研究。需要注意的是,量子非局域性并不能直接导致信息的超光传送。根据无通信定理(No Communication Theorem),这些现象不允许真正的通信,量子的隐形传输传递的是量子态,而不是能量和物质,可以用来做通信的加密,但是不能用来做超光速的通信,所以这和阿尔伯特·爱因斯坦狭义相对论并非矛盾。

量子隧道效应

另一个可能导致超光速的量子力学效应是量子隧道效应 ( QTE,quantum tunneling effect)。当电子或者光撞击势垒时,它们的行为是受到量子理论而不是经典理论控制的。如果把透射势垒的波动又看成粒子,那么这些少量的粒子可以看作是从矩形位 (势)中穿过一条隧道过来的,这种现象被称为量子隧道效应。

微观粒子通过位(势)垒可以超过光速的证明,理论上最早是由E.Wigner作出的。1955年E.P.Wigner的文章讨论了相时间(相位 时间)定义,根据波包峰的位置进行分析,断定隧穿时间非常小,表示粒子穿过位(势)垒的速度可以比光快:他还认为有效的隧穿速度可以不断加大而无限制,虽然透射粒子的几率急剧降低,但仍有少数粒子的运动突破了光速极限。

20世纪90年代以来的实验提示了,量子隧道效应是观察到超光速的一种可能途径。量子隧道效应既在实验中有许多体现,又在实践中开辟了许多高技术的应用,如隧道电镜、隧道二极管超导隧道结。

需要区分的现象

切伦科夫效应

切伦科夫辐射(Cherenkov 放射线)是当组成原子带电粒子(即电子质子)在特定介质中以超过 c/n(n为介质的折射率)运动时发出蓝色辉光的一种现象。但这里的所谓“超光速”,指的是大于介质中光c/n,其中电子的运动速率,仍然小于真空光速,不是真正的超光速。

例如,在水这种介质中,光会减速到其正常速度的75%,当带电粒子的运动速度超过光速时,它们会扰动途经原子的能量平衡。为了恢复平衡,这些原子释放出光子——构成可见光的粒子类型,产生可见光 “冲击波”。这与超音速运动时产生的音爆效果相同,不过是呈光谱形式。每当这种情况发生时,就会产生蓝色或紫色的辉光。这时高能电子的速度在与之间,并没有超过光速

视超光速现象

在许多射电星系、耀变体类星体以及最近的微类星体中都观察到了明显的超光速喷流。这种效应可以解释为由物体部分朝观察者方向移动而引起的视错觉, 而速度计算假设它没有移动。这一现象与狭义相对论并不矛盾。校正后的计算显示这些物体的速度接近光速。

视超光速现象可以用相对论性喷流模型来解释。假如类星体在近于我们视线方向以近光速抛出喷流,喷流中一个小云团发出的辐射行程为 35 ly,于某年到达地球;以98%光速运动的小云团走了 34ly而到了更近地球的位置,它从新位置发出的辐射只需再过1年就到达地球。于是,我们看到小云团似乎在1年走了35年的距离,而实际上小云团运动并没有超光速。在银河系内也有视超光速现象。例如含中子星或黑洞的双星,已观测到以约1.5倍光速抛出物质,实际上气体物质运动速度仅为光速的92%,而抛出方向仅在与视线成19°内,因而显示视超光速现象。

实验验证

一些实验室或天文观测中发现了超光速现象,但这些现象都不能真正违反相对论或传递信息,而是由于特殊的物理条件或测量误差造成的。例如,2011年,欧洲核子研究中心(CERN)的一项实验宣布发现了比光速快的中微子,引起了轰动,但后来发现是由于仪器的故障造成的误差。以下实验是超光速研究进程中具有代表性的实验。

利用量子隧道效应的双光子赛跑超光速实验

1993年,美国科学家A.M.Steinberg,P.G.Kwait和R.Y.Chiao报道了利用量子隧道效应的双光子赛跑的超光速实验,对单光子隧穿时间进行测量(Measurement of the single photon tunneling time),实验证明可以使一个光子的速度比光速快70%。

激光照射可降频晶体产生双光子,然后设法使这两个光子分为两路,一路通过空气,另一路通过介质势垒——二氧化硅基片上的(表示激光波长)的二氧化钛镀层,最后使用高灵敏度()的符合计数器比较它们到达同一终端检测器的时间。结果得到光子以的速度穿越势垒。根据波粒二象性,光子也可看成一个波包(wave packet);如果位(势)垒使波包变形,例如使波峰(最可能找到光子的位置) 提前,故穿过位(势)垒的光子比在空气传播的光子能更早到达终端。

利用量子隧道效应的双脉冲赛跑超光速实验

1994年,Ch.Spielman等报道了利用量子隧道效应的双脉冲赛跑超光速实验。使用飞秒激光器产生 的脉冲,用分光器将其分为两路,一路通过空气,另一路通过起势垒作用的多层介质,最后比较到达终端检测器的时间。实验证明激光脉冲以超光速的群速穿越势垒。

这实际上是让2个激光脉冲赛跑, 与SKC实验有相似之处。实验证明了群速超光速可以获得;而当位 (势) 垒的厚度增加时, 隧穿时间增加, 达到饱和后隧穿时间与位 (势) 垒的厚度无关。

用截止波导作为位 (势)的微波实验

1992年,德国科学家G.Nimtz 领导的小组公布了用截止波导股份作为势垒的微波脉冲的超光速实验,首次发现了群速超光速。他们声称以4.7c 的速度发送了一个12 cm的调频微波信号,该调频波承载着沃尔夫冈·莫扎特的第40交响乐。通常用作微波传输线的波导,在截止频率以下的状态不再是传输波,而是强度随穿透深度增加而呈负指数函数递减的消失场。这可类比如隧道效应的消失波,为波导作为势垒创造了前提。Nimtz小组的实验将微波脉冲分为两路,一路通过作为势垒的长度约 12cm 的截止波导,另一路以光速通过等长的传输线。精确测量二者到达终端的时间差,得到通过势垒的微波脉冲的群速。1997年,Nimtz 小组又公布了一个新的实验结果,其群速。1998 年,G.Nimtz 指出在消失模情况下会出现负能量。

由于脉冲通过势垒会失真,一般认为目前已有的超光速穿越量子势垒的实验还不能证明有用信息已能超光速传递。但是,也有科学家持完全不同的意见。例如,Nimtz小组的实验实施了编码传输,G.Nimtz 坚持认为,这表明信息可以超光速传递。

用等离子体作为位(势)以进行超光速实验的理论预期

2000 年王力军小组完成的光脉冲群速超光速(实际上是负群速) 实验,由于能做到脉冲不失真而凸显其重要性。虽然它其实是一个典型的量子光学实验,但一般是用经典的反常色散理论来解释该实验。

电磁波通过等离子体时, 媒质呈现强烈的色散特性。理论设想在量子隧道效应类型的超光速实验中, 可使用等离子体构成一个位 (势) 垒,会得到“群速超光速”的实验结果。

OPERA实验

2011年9月22日,意大利物理学家声称在欧朋浏览器实验中发现了一种超光速的中微子(neutrino),如果实验数据确凿无误,阿尔伯特·爱因斯坦在相对论中提出的”光速不可超越“将会受到挑战,在学界引起轰动。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)与位于日内瓦欧洲核子研究组织(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, 标示出了中微子的速度以40322.58分之一超出光速,即每秒钟多跑6公里, 为现实中宇宙速度的极限。

2012年2月22日,根据媒体报告,从全球定位系统接收器到电脑之间的光纤缆线,由于与电脑的集成电路卡连接不良,造成了60纳秒延迟。此实验失误似乎可以解释中微子的超光速运动异常现象。但是,仍旧必需做实验拿到更多数据来检验这假说。

2012年3月16日,同样位于意大利大萨索山的格兰沙索国家实验室的ICARUS实验团队报告,在2011年10月和11月间探测到了来自欧洲核子研究中心的中微子,而且精度更高。在他们的实验中,中微子的速度与光速接近,但并没有超过光速。这意味着同实验室的欧朋浏览器实验团队先前所获得的中微子超光速异常结果可能不正确。

2012年6月8日,最终证明该实验结果错误,是线缆松动造成的误差,研究团队向世界公布实验错误。

参考资料

新观点认为利用特殊虫洞可实现信息超时空传送.国家自然科学基金委员会.2023-12-10

What is the Casimir effect?.scientificamerican.2023-12-05

Star Trek's Warp Drive Leads to New Physics.scientificamerican.2023-12-05

Warp Field Mechanics 101.NASA.2023-12-05

Are virtual particles really constantly popping in and out of existence? Or are they merely a mathematical bookkeeping device for quantum mechanics?.scientificamerican.2023-12-10

哈勃最新数据进一步确认宇宙在加速膨胀.NASA China.2023-12-10

量子隧穿实验揭示粒子如何打破光速.环球科学.2023-12-10

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Particles break light-speed limit.nature.2023-12-08

Just a moment....Science Insider.2023-12-10