“光障”挡不住人类前进的脚步——纪念第242次香山科学会议召开10周年

第242次香山科学会议的主题是“宇航科学前沿与光障问题”.如所周知A.Einstein于1905年断言“超光速没有存在的可能”,后人称为“光障”.但在这次会议上宋健院士指出,该说法仅是假设,因为超光速运动不能完全观测,在什么也看不见的地方只能是猜测或假说.现在把太阳系内飞行称为航天,系外飞行称作宇航.估计在本世纪将有第一批宇航员飞出太阳系并安全返回,而飞出太阳系是人类的伟大理想.但这有许多理论与技术问题需要解决.所以必须加大航行速度,应达到光速,可能的话应为超光速.本文回顾了10年前召开的第242次香山科学会议的成就,探讨了2003～2013年间的超光速研究工作.首先对“光障”和“声障”作了比较研究,认为可压缩流体力学可用在超光速研究中,空气动力学发展对突破光障有参考作用.其次讨论了信息速度问题,指出近10年来负群速(NGV)已在许多科学实验中发现,而NGV是超光速的一种形式.众多群速超光速实验是很大的成绩,从波粒二象性角度看就有可能发现以超光速运动的奇异电子.故可考虑改装加速器,使粒子在通过某种势垒后能量减小从而速度加快(v＞c区域的规律).这类似于使用Laval管突破声障的方法.……本文还讨论了Alcubierre曲速引擎的改变空时以实现超光速宇航方案,虽只是假说,但美国《时代》周刊已于2012年9月19日报道说:“美国航天局着手研究超光速曲速引擎”.因此,重要之点在于NASA已认可超光速宇宙航行.根据10年来超光速研究的发展,认为新学科“超光速物理”的建立已是既成事实.最后进一步讨论了真空中光速c的定义及光速恒定性问题.     

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。     

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。     

论有质粒子作超光速运动的可能性

狭义相对论( SR)中运动的有质粒子的长度( l)、质量( m)、能量( E或W)随速度v变化。当v增大,l减小而m和E加大。如果v=c,运动粒子的质量、能量成为无限大。故Einstein断言讨论超越光速c是无意义的。然而在实际上从未发现过物体长度随速度增加而减小。对质量而言,Newton力学中质量与速度无关;质量随速度变来自1904年的Lorentz公式m = m01- vc 2[()]-1/2,即使它适用于电子也不能像SR那样推广于一切动体,实际上缺少“Lorentz质速公式适用于中性粒子和中性物体”的实验。故所谓“光障”不一定真的存在。
　　电子并不是一个普通的动体,而是特殊的带有电荷的动体。故即使v=c,能量也不是无限大。另外,还可证明当速度v增大时动体荷电量q和受力F都减小。这就很好的解释了1901年的Kaufmann实验。类似地,分析表明1964年的Bertozi实验也不能证明光速c不可超越。
　　本文把今日的“光障”问题与过去的“声障”问题作了比较,认为可压缩流体力学可用在超光速研究中,空气动力学发展对突破光障有参考作用。在超声速飞机问世前,当飞机速度接近声速将形成气体超大密度的激波,飞机将无法穿越它。但深入的理论分析和风洞实验使科学家获悉,即使v=c(在这里c为声速),密度仅增大6倍,不是无限大;故工程师开始设计和建造超声速飞机。1947年10月14日美国空军完成了人类首次超声速飞行。……我们相信对所谓光障也会是同样的情况。
　　由于量子力学中的波粒二象性,科学家可按两条路径(粒子或波)展开研究。过去认为微观客体会呈现为粒子或波,但不会同时体现这两者。然而最新的研究却证明可在实验中又是粒子又是波。本文建议设计针对物质波的实验。由于现时有大量的群速超光速实验已获成功,可以期待超光速有质粒子(电子或质子)的存在和发现。……总之,结论是有质粒子可以作超光速运动,但有待将来的直接实验证明。     

论量子超光速性

A.Einstein对量子力学(QM)的反对态度从1926年开始显露,1935年与B.Podolsky、N.Rosen联合发表论文时达到顶点,而EPR论文后来是从反面促进了科学的发展。该文以狭义相对论(SR)为思想基础,而SR和EPR都否定超光速的可能性。但QM允许超光速存在,并与研究超光速的前提即QM非局域性一致。1985年John Bell说,Bell不等式是分析EPR推论的产物,该推论说在EPR文章条件下不应存在超距作用;但那些条件导致QM预示的奇特相关性。Aspect实验的结果是在预料之中的,因为QM从未错过,现在知道即使在苛刻的条件下它也不会错;可以肯定实验证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为在进退两难的处境下可以回到Lorentz和Poincarè,他们的以太是一种特惠参考系,在其中事物可以比光快。Bell指出正是EPR给出了超光速的预期。……1992年以来有多个超光速实验成功的报道,有的以量子隧穿为基础,有的利用经典物理现象(如消失波、反常色散)。而在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c～107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。过去25年来,量子超光速性是笔者的主要研究课题之一。1985年我们提出了量子势垒的等效电路模型;1991年我们最早指出截止波导中消失波模有负相速(vp0)和负群速(vg0)现象,笔者的专著《截止波导理论导论》获全国优秀科技著作奖。2003年我们用同轴光子晶体进行实验并观测到阻带中的超光速群速,为(1.5～2.4)c。2005年我们提出广义信息速度(General Information Velocity,GIV)和在2010年提出量子超光速性(Quantum Super-luminality,QS)两个概念,并建议改造现有的高能粒子加速器以寻找和发现超光速奇异电子。本文则较深刻地讨论了QS的若干问题,涉及微观粒子的速度定义、EPR思维与超光速研究的关系、量子纠缠态作用速度、量子隧穿的超光速性、负波速、Casimir效应的超光速性。文中指出Sommerfeld-Brillouin波速理论的意义和不足,用实验例说明量子光学(QO)方法与经典物理概念结合运用是重要的。自2000年以来的负群速实验常以某金属(如铯、钾、铷)的原子蒸汽状态作为受试对象,充分利用激光的高科技特性和手段,从而使之成为具有典型QO特征的现代物理实验,因而极不同于经典性质的物理实验。负群速不仅是超光速的特殊形态,而且普遍具有下述特征:输入脉冲进入媒质前,出口处即呈现输出脉冲峰,因而与经典因果性不同。虽然关于QS的知识和发现是丰富的和生动的,并且极有启发性,但它并不正面和直接地回答"物质、能量、信息能否以超光速传送"的问题。设计巧妙而有说服力的实验仍是科学家们的基本任务。     

论量子超光速性

A.Einstein对量子力学(QM)的反对态度从1926年开始显露,1935年与B.Podolsky、N.Rosen联合发表论文时达到顶点,而EPR论文后来是从反面促进了科学的发展。该文以狭义相对论(SR)为思想基础,而SR和EPR都否定超光速的可能性。但QM允许超光速存在,并与研究超光速的前提即QM非局域性一致。1985年John Bell说,Bell不等式是分析EPR推论的产物,该推论说在EPR文章条件下不应存在超距作用;但那些条件导致QM预示的奇特相关性。Aspect实验的结果是在预料之中的,因为QM从未错过,现在知道即使在苛刻的条件下它也不会错;可以肯定实验证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为在进退两难的处境下可以回到Lorentz和Poincarè,他们的以太是一种特惠参考系,在其中事物可以比光快。Bell指出正是EPR给出了超光速的预期。……1992年以来有多个超光速实验成功的报道,有的以量子隧穿为基础,有的利用经典物理现象(如消失波、反常色散)。而在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c～107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。过去25年来,量子超光速性是笔者的主要研究课题之一。1985年我们提出了量子势垒的等效电路模型;1991年我们最早指出截止波导中消失波模有负相速(vp0)和负群速(vg0)现象,笔者的专著《截止波导理论导论》获全国优秀科技著作奖。2003年我们用同轴光子晶体进行实验并观测到阻带中的超光速群速,为(1.5～2.4)c。2005年我们提出广义信息速度(General Information Velocity,GIV)和在2010年提出量子超光速性(Quantum Super-luminality,QS)两个概念,并建议改造现有的高能粒子加速器以寻找和发现超光速奇异电子。本文则较深刻地讨论了QS的若干问题,涉及微观粒子的速度定义、EPR思维与超光速研究的关系、量子纠缠态作用速度、量子隧穿的超光速性、负波速、Casimir效应的超光速性。文中指出Sommerfeld-Brillouin波速理论的意义和不足,用实验例说明量子光学(QO)方法与经典物理概念结合运用是重要的。自2000年以来的负群速实验常以某金属(如铯、钾、铷)的原子蒸汽状态作为受试对象,充分利用激光的高科技特性和手段,从而使之成为具有典型QO特征的现代物理实验,因而极不同于经典性质的物理实验。负群速不仅是超光速的特殊形态,而且普遍具有下述特征:输入脉冲进入媒质前,出口处即呈现输出脉冲峰,因而与经典因果性不同。虽然关于QS的知识和发现是丰富的和生动的,并且极有启发性,但它并不正面和直接地回答"物质、能量、信息能否以超光速传送"的问题。设计巧妙而有说服力的实验仍是科学家们的基本任务。     

超光速佯谬和中微子

爱因斯坦的狭义相对论和因果原理意味着任何运动物体的速度不能超过光在真空中的速度。然而，有许多讨论超光速运动粒子的尝试，这些讨论或者是在狭义相对论的框架下进行的，或者是超越了狭义相对论。这些讨论都遇到一系列难以克服的困难，即“超光速佯谬”。文中详细分析了这种佯谬，并证明它在与狭义相对论兼容的量子理论中显然是不出现的。在实在世界中，中微子最可能是一种超光速粒子。     

再评欧洲OPERA中微子超光速实验

物理学有一个著名法则是任何东西不能以超过真空中光速c的速度传播。但在2011年9月22日,在意大利完成的一项实验提供了中微子以超光速(vc)运动的证据。相对于真空中光速,实验和计算显示中微子早到了[60.7±6.9(统计)±7.4(系统)]ns,亦即(v-c)/c=[2.48±0.28(统计)±0.30(系统)]×10-5。这表明中微子速度v=299799911m/s。研究人员对CERN与检测器间约730km的测量精度达20cm,相应时差的测量精度达10ns;而测量工作的置信度水平达6σ。这是真正了不起的实验。美国的MINOS项目已经准备作更精确测量以校对这一结果。如MINOS证实了OPERA发现,这结果的意义重大。但也有物理学家表示怀疑。如该结果错了,我们也不能完全抹杀这一实验的意义。超光速研究将继续进行。     

超光速宇宙航行的可能性

Newton力学认为在宇宙中速度没有上限,而Einstein的狭义相对论(SR)却规定了上限.按照SR,高于光速的速度没有存在的可能.对带电粒子的加速表明,接近光速时质量增加很大,为了小的增速需输入很多能量.故在美国Stanford直线加速器中电子速度只能达到0.9999999c.但这仅为用电磁方法对带电粒子加速的情形.理论和实验均已证明,可以设法驱动不带电的光子,使它以超光速运动.自然界有4种基本的物理作用,在电磁作用(光作用)之外还有3种.故不能说光速c是宇宙中的速度上限.例如,"引力以光速传播"的假定就是错误的,美国天文学家已指出引力传播速度可大于2×10100c,即达6×1015 km/s以上.如果不用化学燃料推进火箭,亦摆脱电磁原理,而是以引力原理设计推进系统,人类有可能以极高速度航行,有望乘飞船到达宇宙中的任何地方.在对1962～2008年间的超光速研究作审视后,我们认为超光速是一种可实现的科学陈述.例如,物理学家建议改变邻近飞船处的空间特性以实现超光速航行.目前的地外文明探索的突出成果之一是发现了太阳系外行星Gliese-581c.它与地球相似而成为宜居星球,但距地球20.5光年(1.89×1014 km)之远.用束芯反物质火箭到该处需40年,用超空间引擎只需几秒.我们可以想象前往别的太阳系,但必须有概念新颖的火箭才能到达该处.     

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。