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1、1 挑战光速，质疑爱因斯坦论超光速现象的可能性作者：学校：哈尔滨工业大学学院：班级：学号：日期：2 挑战光速，质疑爱因斯坦论超光速现象的可能性摘要：光是一种古老而神奇的客观存在。经过历代科学家的研究探讨，光的本质被不断的揭示，爱因斯坦更是把光速作为宇宙中速度之最，并且认为光速不变。近些年超光速实验不断的被报道出来，有关超光速的探讨也愈演愈烈。本文主要从超光速的概念、表现形式、 理论基础及相关的一些超光速实验等方面来论述超光速现象的可能性，同时从量子论与相对论的矛盾出发，解释超光速现象发生的物理意义、适用范围以及简要列举超光速现象的简单应用。关键字：超光速量子论相对论乌云局限性Challenge
2、 the Speed of Light, Doubt Einstein The Possibility of faster-than-Light speed (Class:1140010; pengfeizhang; Electrical Engineering and Automation; No.:7112130501) Abstract: Light is an old and fascinating objective existence. Through the study of scientists from different times, the nature of light
3、 is learned gradually, and Albert Einstein regarded the velocity of light as the fastest in the universe which is also a constant. But recent years, there are many reports about the experiments in which something is faster than light, andthe discussion about faster-than-light speed is more and more
4、fierce. This dissertation mainly expounds the phenomenon of faster-than-light from the following aspects: the concept, pattern of manifestation, the theoretical basis, some experiments about faster-than-light speed and so on. Besides, standing on the contradiction between the quantum mechanics and t
5、he theory of relativity, this paper will throw light on the physical significance and the scope of application of the faster-than-light speed. In the end, there are some simple applications of the faster-than-light phenomenon in brief. Keywords:faster-than-light speed; quantum mechanics; the theory
6、of relatively; black clouds; limitation. 光学是一门古老而又充满活力的学科。一直以来， 众多的科学家投身光学研究，为光学的发展奠定了理论基础。在物理学发展史上最伟大的年代，时刻都会看到光的影子。17 世纪末， 牛顿自然哲学之数学原理宣告了现代经典物理学的正式创立，人们加深了对于光3 的本性的了解；20 世纪初，相对论和量子论彻底地推翻和重建了整个物理学体系，并且深深地影响和困扰着我们至今。引言：1900 年 4 月 27 日， 在阿尔伯马尔街皇家研究所举行的报告会上，开尔文男爵指出了物理学天空中两朵著名的乌云：经典物理在光以太和麦克斯韦玻尔兹曼能量均分学
7、说上晕倒的难题；黑体辐射实验和理论的不一致。第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发；第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。【1】但是随着相对论与量子论的发展，二者的关于超光速问题的矛盾开始显现出来。以玻尔和爱因斯坦为代表的那些论战派的那些讨论至今仍困扰着我们，相对论是有大量实验支持的科学理论，量子理论是极有成就的科学分支。物理学定律就是一个不断认知与修正的过程，二者之间的矛盾并不能说明哪一个理论是错误的，只能说明每一个物理定律都有其自身的适用范围。一方面， 相对论禁止任何超光速的物质运输和信息传输；另一方面， 量子力学却允许某种超光速影响的存在。1935 年,Einstein 与 Podol
8、sky 和 Rosen共同发表了一篇后来被称为EPR的著名文章【2】。在这篇文章中,他们论证了量子力学与相对论的不相容性,从而暗示了如果量子力学的预言是正确的,那么超光速现象必然存在。【3】超光速的概念及表现形式超光速是指光脉冲的群速度大于真空中的光速C或者为负。如果某种粒子相对于发射体（坐标原点） 沿坐标轴的正方向， 在单位时间内所运行的距离大于光速则称其速度为超光速。如果某种粒子相对于发射体（坐标原点） 沿坐标轴的正方向，在单位时间内所运行的距离低于光速则称其速度为亚光速。【4】研究超光速问题时，以下几种情况必须分开讨论：一、物质能不能以超过真空中光速的c 的速度传送。所谓的物质主要有三种
9、类型：a、实体物质（如一个电子或是一艘飞船）；b、微观粒子（如一个电子或一个光子） ；c、波动（如电磁波和光波）其中，a 和 b 是空间不连续的，c 是空间连续的。二、能量是否能以超过真空中光速c 的速度传送。 由于不存在离开物质而确立的能量，从表面上看，没有必要单独讨论能速；但在实际上，科学家们已经发表了一些专门讨论能速问题的论文，能量的不同形态(即多样性 )更使对能速的研究成为必要。三、信息能不能用比c 还快的速度传播。广义的信息速度包括信号速度、信息速度以及作用速度。 以下提到的EPR作用（量子纠缠态作用）的速度便属于信息速度。上述的几种表现速度中，有的尚无证明可以超光速的实验；有的却已
10、经有了，甚至有了多个。 也有的速度被认为是无限大，或者在光速c 与无限大之间的某值。有的速度则还在研究和争论中。【5】4 超光速的理论基础超光速现象以各种形式呈现出来，从而引起了不同的物理定律甚至不同领域的科学对其进行解释。 黄志洵把超光速研究称之为：“相对论、 量子力学、 电子学与信息理论的交汇点”。【6】有些书籍的有关篇章也专门讨论了超光速运动。相对论首先，很多人认为限制超光速的理论基础是相对论。(mk= m01 -v2c2) 但爱因斯坦是在不可能存在超光速运动的基础上建立起相对论的。相对论并不一定是宇宙中普遍使用的公式， 即使是， 也不一定能推出光速不可超越。光速极限似乎只是权威者爱因斯
11、坦从狭义相对论出发的断言。 狭义相对论是以侠义相对性原理和光速不变原理为基础建立起来的物理理论，因而也就规定狭义相对论不能违背光速不变原理，这一原理本身事实上已经规定了狭义相对论不能在超光速范围内应用。狭义相对论只是一个相对真理，因其自身的局限性，自然是不可能得出超光速运动的。【7】修正狭义相对论，添加虚物质当然，也有很多人试图避开爱因斯坦的权威锋芒，在保留相对论的基础之上提出虚物质，用来解释观测中或实验中所出现的超光速现象。按照相对论：m = m01 - v2c2，E = mc2，P = mv （1） ，E2- c2P2= m02c4（2） 。式中 c 就是极限速度，习惯上称作“真空中光速”
12、；m0为物质的静止质量，是描述物质固有属性的重要物理量之一。（ 1）式表明各量均与速度v无关，故不是协变性关系;(2) 式在所有惯性系中都一样, 是协变性关系. 所以用 (2) 式可对物质按固有属性m0分类 . 显然只有三种可能 :1m02 0 , m0为实数，且 E2 c2P2；2m02= 0 , m0= 0，且 E2= c2P2；3 m02c,也就是说 ,德布洛意波必然以超光速的速度传播。12，13信息理论现在信息传播最快的当是以电磁波为载体的光速传递。当量子超光速影响的存在被证实之后，人们便很自然地想利用利用这种影响来传递信息，从而实现量子超光速通信。还有一种情况，据说黑洞质量可以达到很
13、大，光在经过黑洞时，可以发生弯曲。假设一束光射向黑洞，那么这束光的速度应当大于原有的C。超光速实验及现象物理是一门以实验为基础的科学。最近 30 年以来 ,在天文观测以及实验室实验中已发现了许多种超光速现象,这是科学研究中的一个新的前沿,国内已出版一些专著【14】。 有些书籍的有关篇章也专门讨论了超光速运动【15】。有一篇综合评论文章介绍了超光速运动的过去、现在和未来。【16】天文观测方面,现在已观测到60 多个超光速的射电源(类星体 ),它们的膨胀速度一般都达到光速的数倍甚至几十倍,例如类星体3C345 中两个子源的分离速度超过4.5c。此外 ,通过对行星以及卫星轨道稳定性的观测,有理由认为
14、 ,引力速度可能远远超过光速。【16】在实验方面超光速运动有多重种多样的形式，下面主要说明近些年比较著名的实验：【17】1、Nature 杂志， 2000 年发表王力军等人的实验研究，表明光脉冲在色散介质中的群速度超过了真空中的光速。【18】2、Science杂志， 2003 年发表了Bigelow 等人的实验研究，观察到在室温下的固体样品中，脉冲传输的群速可以超光速(也可以慢光速)。【19】3、Phys .Rev. Letters杂志， 2000 年发表了Mugnai 等人的实验研究，表明微波传输的速度超过了真空中的光速。【20】4、Appl. Phys. Letters 杂志， 2002
15、年发表了Hach e A 等人的实验研究，观察到电脉 冲在同轴光子晶体中的长程超光速传输。【21】5、Nature 杂志，2003 年发表了 Sterner 等的实验研究，表明单个光脉冲在负色散介质中传输时，群速超过了真空中的光速.但是，二个光脉冲组合起来时，波形的“非连续点”或“微分的非连续点”的速度不能超过光速。他们把该点的传输速度定义为信息传输速度。实验表明，这样定义的“信息速度”没有达到超光速。【22】6、Appl. Phys. Letters 杂志，2002 年发表 Munday 等人的实验，观察到电脉冲在同轴光子晶体中的负群速传输(负群速传输是对超光速群速传输实验的支持)。【23】
16、其他杂志还发表了许多有关群速超光速的实验结果，还有不少研究超光速传输的理论文。【24】虽然有很多实验结果尚待商讨，但是从趋势可以看出，超光速现象是极有可能存在。超光速的物理机制关于超光速的物理机制存在两种解释。一、脉冲的前后沿经历了不同的放大和衰减。【25】“受激激活介质起到非线性放大的作用,前沿放大后沿吸收而保持波形不变以至于脉冲超前”【26】。7 二、每一个频率分量一直出现,而频率分量的相干叠加构成即时的脉冲,当脉冲进入色散介质 ,不同的频率分量以不同的相速度传播,导致脉冲畸变和(或)脉冲以修改的群速度传播。【27】超光速现象的意义及应用超光速必然会以其速度著称，因此在很多发面必会有应用：1、通信 超光速粒子在速度和穿透力方面应当远胜过电磁波。假如我们有特定的发射器和接收器，那么信息战中超光速必然取胜。近些年兴起的量子计算机便是利用量子纠缠态来传递信息的一种超光速通信。优势明显： 线路时延可以为零、信息传递可以不通过通信双方之间的空间、抗干扰、保密性极强。【28】2、军事 信息能力的增强本身就会辅助军事。超光速粒子也许还可直接进行
