超慢光速的研究进展

人类对超光速与慢光速的理论研究由来已久。近期的一些实验结果使得该领域再次成为人们广泛关注的热点,这是因为该现象既有诱人的应用前景,又涉及到重大的基础理论问题。本文将概述超慢光速的理论、实验及研究进展。     

超光速研究的量子力学基础

量子力学为超光速的研究带来了希望与可能。为检验EPR论文所做的实验显示,景象背后有某种东西比光进行得更快。量子隧道效应对超光速研究有重大意义,有关理论和实验研究都证明,人为地使一个光子或一个脉冲以超光速行进是绝对能做到的事;预期把等离子体用作位（势）垒时也会发现超光速现象;建议用实验研究物质波粒子（如电子）通过位（势）垒时将会发生的情况。     

超光速实验的一个新方案

Einstein的理论并非神圣不可侵犯,超光速将开启新物理学的大门,而自1955年以来一系列理论与实验研究企图发现超光速现象,多个实验显示超光速是可能的.本文在回顾1955年至2009年的研究后,得到"超光速是可实现的科学陈述"的结论.因此,狭义相对论关于"没有可以超光速行进的事物"的说法归于无效.飞出太阳系是人类长久以来的理想,飞行速度最好达到光速或超光速.当然这很难做到,但也不是绝对不可能.1947年超声速飞机试飞成功突破了"声障"一事已成历史,而可压缩流力学似可用到超光速研究中来,即以空气动力学成就作为突破"光障"的参考.从理论上讲研究"量子超光速性"是很重要的,具体包含两个方面:量子隧穿及量子纠缠态,它们分别对应小超光速(v/c<5)和大超光速(v/c>104).现时的超光速研究可考虑用圆截面截止波导(WBCO)来改造直线加速器,再检验电子的运动;亦即用量子隧穿以实现超光速,而在经过势垒之后波和粒子的能量减弱.这与突破声障的情况(例如Laval管)相似.为了研究飞船以超光速作宇宙航行的可能性,必须尝试使中性粒子(中子、原子)加速运动并达到高速.然而现实是不存在中子加速器,因此发现以超光速运动的电子(奇异电子)是科学家不妨一试的实验课题.从波动力学和渡粒二象性的观点看,"群速超光速"在实验中取得了广泛的成功,预示着粒子形态的电子以超光速运动的可能性存在.但后者与前者一样必然是"小超光速".这正好体现了电磁作用的传递速度(电磁波本征速度)仅为光速的事实,亦即无论波动或粒子的运动都只能在特殊条件下比光速c稍快.     

狭义相对论研究中的若干问题

量子力学(QM)在本质上具有非经典性、微观性和非局域性,故量子力学与狭义相对论(SR)在根本上不具有一致性。EPR论文集中代表了爱因斯坦对量子力学的不满和捍卫狭义相对论自然观的意图。虽然狭义相对论不允许超光速状态,但量子力学的非局域性表示出现超光速是可能的。实际上,超光速问题是狭义相对论与量子力学有尖锐矛盾的证明。对已有超光速实验作分类整理后指出,不少实验很象是一种量子行为,而这些实验是对狭义相对论和量子力学理论研究的激励。最后指出,对光子静质量虽已做过许多研究,仍有一些问题有待解决。     

二参量描述的超光速中微子述的超光速中微子

根据中微子质量平方是负值的实验数据，提出了一个关于超光速中微子的量子理论，用一个和最大宇称破坏相关的质量项将两个Weyl方程耦合在一起，得到一个描述具有永久螺旋度且超光速运动的中微子的新方程，超光速粒子的速度在（0，∞）范围内变化，其内部上干迭加的两个矛盾场的相对变化导致亚光速粒子和超光速粒子的各种奇异特性，这个理论和狭义相对论是兼容的，因而可以有多方面的应用。     

物理光学的若干进展

就物理光学方面的一系列理论和实验研究，如GoosHnchen位移、FTIR现象、负折射率、太赫超光速实验、光子静质量测量等做了评述和讨论。指出近年来的研究显示了消失波现象的重要性，例如消失波可造成超光速传播，且常有新方法和新测量结果；介绍了物理光学在相关领域的技术创新和应用实例；讨论了光子有静止质量的可能性及光频标准和光频测量的历史和新的进展     

由相对性原理的普遍性,可导出洛仑兹公式的推广形式

光速ｃ究竟是极限？还是壁障？这是当前某些实验物理学家和某些理论物理学家争论的热点［１］。黄志洵教授［１］在“对开放空间中微波异常传播现象的探讨”一文中 ,详细介绍了２０世纪９０年代以来 ,几个突出的开放空间超光速ｃ（ＦＴＬ）实验的方法和结果 ,许多事实（包括实验室研究和天文观测）表明 ,超光速ｃ现象是客观存在的。黄教授在结束语中指出 :“微波属于经典性电磁波 ,出现超光速的自由空间（开放空间）传播确实令人难以理解 ,因而更应引起重视与实验研究”。笔者仔细研究了开放空间的ＦＴＬ结果 ,并与王力军［２］的超光速ｃ实…     

负能量问题--超光速研究的重要方向

论述了关于负能量的多个理论预期和相关实验，阐明了超光速研究和负能量概念的关系。     

狭义相对论在超光速情况下的推广

一九六二年以来,国内外对超光速理论都作了不少研究工作,另外,在基本粒子的研究中,有“无限分量场”和“对偶模型”理论,也都间接地涉及到了超光速粒子问题.而汤川秀树等甚至认为原子核中的π介子,主要的都在作超光速运动.过去;许多实验工作者,曾通过各种不同途径寻找超光速粒子,而都未找到.但一九七三年澳大利亚的物理工作者却报告说,他们在次级宇宙线中发现了超光速粒子.虽然这一报告还要经过认真检查才能作出肯定结论,但超光速毕竟是现代物理学中为人们所越来越关心和重视的问题了.     

超光速物理学研究的若干问题

1905年Einstein说“超光速没有存在的可能”,他的理念其实只是假设或猜测。自从1962~1967年以来,超光速研究在多国(如美国、德国、意大利、中国)广泛开展。本文论述1963~2013年间超光速研究的成就和问题,其理论和实验是用经典物理或量子物理方法实施的。基于波粒二象性,科学家按照两条路线(粒子、电磁波)而展开研究。新学科“超光速物理学”的建立已成事实,其研究成果所展现的生动和丰富令人惊讶。     

超光速研究的历史与若干进展

简述了光速测量和超光速研究的历史。介绍了中国科学家对王力军博士超光速实验的各种观点。指出超光速研究的意义和一些需要研究的问题。     

论电磁波传播中的负速度

近10年来,多国科学家以实验研究了在短波、微波、光频和太赫波频段发生的超光速现象.在许多情况下,是发送脉冲后使之作负速度波传播,从而实现超光速传播的.本文概述了在负速度波传播方面的理论研究和实验研究.例如,实验中使光脉冲通过原子气室,其峰值到达入口前即在出口处浮现,呈现负渡越时间和负群速.故群速可以大于光速,可以为无限大,甚至可以为负.近年来,实验和观察中累累发现负速度的超光速现象,故可以认为它是科学研究的前沿之一.     

引力传播速度研究及有关科学问题

在Newton理论中引力速度是无限大,而在Einstein理论中引力速度是光速.广义相对论(GR)认为引力与电磁力不同,是弯曲时空的纯几何效应.但现在应思索某些不同的引力模型,例如把引力重新当作平直时空中的自然界的力的传播,从而又研究得出引力速度大于2×1010c(c是真空中光速).虽然超光速的力传播违反Einstein的狭义相对论(SR),却符合Lorentz的相对性理论(LR).……对宇航界的推进器动力学科学家而言引力是很重要的;近年来太空科学呼吁实验物理学家研究比光速更快传播的信号源.引力以超光速传播的可能将激励科学家们作进一步实验与探索.     

超光速研究的历史与若干进展

简述了光速测量和超光速研究的历史。介绍了中国科学家对王力军博士超光速实验的各种观点。指出超光速研究的意义和一些需要研究的问题。     

中国第一个超光速实验在北京广播学院获得成功

北京广播学院通信工程系的黄志洵、逯贵祯教授及硕士研究生关健,最近完成了一篇英文论文“Superluminal and Negative Group Velocity in the Electromagnetic Wave Propagation”(“电磁波传播中的超光速群速和负群速”),今年6月在《Engineeting Science in China》(ESIC——中国工程院院刊英文版)上发表。文章的前半为理论研究——分析了产生群速超光速和负群速的条件;讨论了截止波导中消失波条件下的超光速群速和负群速。文章的后半报道了关于“超光速群速”的实验——据我们所知,这是国内的首例超光速实验。该实验采用同轴光子晶体(CPC)结构进行,获得了阻带中的超光速群速,V_g=(1.5～2.4)c。     

论超光速研究

本文用大量事实说明，超光速研究的历史几乎与相对论的提出一样长久，并已发展为一项严肃的研究活动和独立的学科分支，处在相对论、量子力学、电子学三者的汇合处。讨论了ＥＰＲ思维——Ｂｅｌｌ定理——Ａｓｐｅｃｔ实验这一发展的意义。认为应在Ｂｏｈｍ量子位概念基础上研究量子场以解释超光速现象。对已有的微波超光速实验，指出应重视粒子穿过截止波导时几乎无相位变化这一特点。对１９９６年１０月的北京座谈会作了评述。指出还应关注天文学、气象学观测中发现的超光速现象。     

反映光的本性的若干著名科学实验

讨论了一些早期的有关光的本性的科学实验（如Michelson-Morley实验，Lebedev实验，Compton实验，Maiman实验等）。然后指出：由于超光速、超慢光速、负折射率的研究的进展，人们对光波性质的兴趣大大增长了。介绍了量子光学方面的一些最新实验，如激光冷却、Bose-Einstein凝聚态、原子激光器。     

反映光的本性的若干著名科学实验

讨论了一些早期的有关光的本性的科学实验（如Michelson-Morley实验，Lebedev实验，Compton实验，Maiman实验等）。然后指出：由于超光速、超慢光速、负折射率的研究的进展，人们对光波性质的兴趣大大增长了。介绍了量子光学方面的一些最新实验，如激光冷却、Bose-Einstein凝聚态、原子激光态。     

超光速问题与电磁波异常传播的研究

对超光速研究的进展作了概述。在尽量少用数学的前提下 ,作了一定的数学分析 ;指出经典电报员方程与 Klein- Gordon方程的相似使得前者可用于粒子隧穿和超光速现象的研究。论证了为了解超光速运动而采取经典电磁理论与量子理论相结合的研究方法的必要性。     

关于量子超光速通信的一个理论设想

本文深入分析了拟议中的量子超光速通信理论,提出了实现量子超光速通信的原理与技术方案。此外,本文还讨论了适用于量子超光速通信的新的时空变换,并提出了两种检测特惠Lorentz参照系的实验方法。