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。     

以量子非局域性为基础的超光速通信

1935年Einstein根据自己对自然的理解提出了EPR论文,该文的局域性原则对应他的狭义相对论(SR)。文章坚持以超光速传送能量和信息的不可能性,否定体系分开为两个(Ⅰ和Ⅱ)之后会有一种超距作用的机制。1951年D.Bohm对EPR思维实验作了现代物理意义的陈述,称为Bohm自旋相关方案或自旋双值粒子系统,实际上启动了量子纠缠态研究,对EPR思维是一种推进。在此基础上。1965年J.Bell提出了后来称为Bell不等式的隐变量理论;而在1981年—1982年间A.Aspect做了多个精确实验,结果与Bell不等式不符,却与量子力学(QM)一致。Aspect实验在科学界引起震动,使物理学家J.Brown和P.Davies在英国广播公司(BBC)组织了一次对著名科学家的访谈。在采访J.Bell时他说,该不等式是分析EPR思维所产生的,这个思维说在EPR论文条件下不应存在超距作用,但那些条件却导致了QM所预期的奇特的相关性。Aspect实验结果是在预料之中的——QM从未错过,即使条件苛刻也不会错。这些实验无疑证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为,现在为克服理论上的困难,可以回到Lorentz和Poincarè;可以想像以太这种参考系存在,在其中事物可以比光快。Bell重复说想回到以太概念,因为从EPR论文可以看出,景象背后有某种东西比光快。EPR论文建基于SR之上,二者都否认超光速的可能性,这也就是SR与QM的根本矛盾。QM允许超光速存在,认清这一点对科学进步有重要意义。J.Bell于1990年去世,但他建立了不朽的功绩,Bell不等式成为科学史上最伟大的发现之一。几十年来所谓Bell型实验长盛不衰,双粒子奇异纠缠的距离从最早的15m多年后增大为144km,十分惊人。特别是在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10~4c—10~7c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。可否说量子纠缠态必然引向超光速信号传送?研究表明"景象背后"的影响允许超光速通信。人们都承认实际上存在相互纠缠粒子之间的超光速信息传送是确定的事实,问题仅在于如何应用于人类相互交流和联系。EPR论文的错误对科学研究提供了深刻的教益,对量子纠缠态这种奇特物理相互作用的好奇是思考和探索的永不衰竭的原动力。量子纠缠态或许可以称为"第5种基本的物理相互作用";而所谓Bennett方案并非唯一的用量子纠缠作远距离通信的途径。     

电磁波传播中的超光速群速和负群速

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。用模拟同轴光子晶体的结构进行实验,获得了阻带中的超光速群速,Vg=(1.5-2.4)c。     

量子通信研究的若干问题

1935 年A. Einstein、B. Podolsky 和N. Rosen 三人发表合写文章"量子力学对物理实在的描述是否完备?"该文的局域性原则与他的狭义相对论(SR) 相呼应,但与量子力学(QM) 不一致.1951 年D. Bohm 对EPR 思维作了现代意义上的陈述,实际上启动了量子纠缠态研究.在此基础上,1965 年J. Bell 提出了后来称为Bell 不等式的隐变量理论,而在1981 年-1982 年A. Aspect 做了多个精确实验,结果与Bell 不等式不符,而与QM 一致.因此,双粒子系统中存在QM 预期的奇异相关,其中的超空间(超距) 作用却与EPR 思维矛盾.在后来数十年中,Bell 型实验常盛不衰,互相纠缠的光子间隔由Aspect 时的15m 逐步加大到144km,而在2017 年由中国量子卫星扩展到1200km,十分惊人.EPR 论文的错误对科学研究提供了深刻的教益.近年来量子通信技术的发展,就是建筑在量子非局域性和量子纠缠的基础上的.量子信息学(QIT) 有三个主要研究方向——量子计算、量子通信和量子雷达.量子通信的关键点在于必须有绝对保密性.但这在实际上很难,故迄今不能说这问题已经解决.因此,我们认为在2017 年量子通信才获很大成就.     

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.     

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。     

黄志洵教授的科学贡献

黄志洵是中国传媒大学的微波工程教授、中国科学院电子学研究所客座研究员。他曾在国内外发表科学论文约160篇,又出版过10种科学专著。他的书《截止波导理论导论》曾获全国优秀科技著作奖。1999~2008年间,他发表了4种书讨论超光速问题和电磁场理论。1991年他在著作中指出截止波导中的消失波可能造成负相速(Vp<0)和负群速(Vg<0);而在2003年他和课题组成员一起在使用同轴光子晶体的实验中观察到群速超光速,Vg=(1.5~2.4)c。     

负波速研究进展

近年来有众多实验证明了超过真空中光速的可能性,并从理论上和实验上对群速超光速和负群速作了研究。本文着重论述负波速的光传播,例如光脉冲通过被测物(如原子气室或光纤)时其峰值在进入它之前就在它的输出端出现了,从而呈现出负渡越时间和负群速(NGV)。可以证明当Goos-Hnchen位移GHS为负,即D<0,而|D|>dΦ/dkz,则可获得负渡越时间(τ<0)。……文中论述的NGV传播是依靠反常色散媒质或消失波而实现的。在电磁理论中相速、群速可定义为矢量或标量。如在标量表达时出现负号,例如νg=-c/ng,不能认为负号只表示向反方向传播。必须指出在Sommerfeld-Brillouin波速理论中负群速是超光速的一种形态。本文提出了开展"三负研究"的思想,所谓"三负"是指负折射、负波速和负GH位移。如果我们透过现象看本质,这三方面的内在联系是非常重要的。最后,本文深入讨论了量子波动的内容和意义。     

论电磁学中的负波速和超前波

波动是物质运动的特殊形式,波动力学具有独特的内容、方法和意义,其概念和内涵都和经典力学有重大区别。例如,波速度(无论相速或群速)都是标量,“负波速”并不表示运动方向反了过来,而是一种从表面上看与因果性不相符的特殊现象。无论如何,最近几十年的研究已证明,负波速不仅在理论上可行,在实验中也多次证明其存在。而且,负波速是超光速的一种特殊形态。……本文指出,具有负波速的波动是超前波。它对应电磁场与电磁波基本方程的超前解;过去的做法是抛弃超前解,这是不合适的!关于超前波,虽然早就有这一概念,但从未有人明确指出这个波是真实存在的。本文认为已有的许多负群速实验正是超前波存在的证明。有人用“违反因果律”作为理由,说超前波不可能存在。但是,中国科学家已经对因果性作了更深刻、更全面的解释,这对波动力学和量子光学都是重要的贡献。众所周知,在量子力学中经典的因果律已丧失其合理性和至高无上的地位。2022年的Nobel物理学奖被授予Alain Aspect等3人是很不平常的,因为Aspect的关于Bell不等式的实验完成于1982年,今天来看它仍然是一个证明Einstein的EPR论文错了、而量子力学正确的关键...     

论电磁学中的负波速和超前波

波动是物质运动的特殊形式,波动力学具有独特的内容、方法和意义,其概念和内涵都和经典力学有重大区别。例如,波速度(无论相速或群速)都是标量,“负波速”并不表示运动方向反了过来,而是一种从表面上看与因果性不相符的特殊现象。无论如何,最近几十年的研究已证明,负波速不仅在理论上可行,在实验中也多次证明其存在。而且,负波速是超光速的一种特殊形态。……本文指出,具有负波速的波动是超前波。它对应电磁场与电磁波基本方程的超前解;过去的做法是抛弃超前解,这是不合适的!关于超前波,虽然早就有这一概念,但从未有人明确指出这个波是真实存在的。本文认为已有的许多负群速实验正是超前波存在的证明。有人用“违反因果律”作为理由,说超前波不可能存在。但是,中国科学家已经对因果性作了更深刻、更全面的解释,这对波动力学和量子光学都是重要的贡献。众所周知,在量子力学中经典的因果律已丧失其合理性和至高无上的地位。2022年的Nobel物理学奖被授予Alain Aspect等3人是很不平常的,因为Aspect的关于Bell不等式的实验完成于1982年,今天来看它仍然是一个证明Einstein的EPR论文错了、而量子力学正确的关键...     

电磁波经典波速理论及存在问题

对电磁波波速的定义作深入的讨论,并指出:群速具有基础性和重要性.近年来,实验技术上的改进更保证了群速定义有效和有价值,应当引起重视.论述了Sommerfeld-Brillouin经典波速理论的意义及存在的问题.介绍了某些"群速超光速"和"负群速"实验.     

电磁波经典波速理论及存在问题

对电磁波波速的定义作深入的讨论，并指出：群速具有基础性和重要性。近年来，实验技术上的改进更保证了群速定义有效和有价值，应当引起重视。论述了Sommerfeld-Brillouin经典波速理论的意义及存在的问题。介绍了某些“群速超光速”和“负群速”实验。     

EPR思维研究中的若干问题

论述了EPR论文提出的背景。回顾了1985年在BBC举行的科学讨论,并提出了今天仍需要做深入研究的有关问题。指出狭义相对论(SR)与EPR思维在思想体系方面的一致性,它们关系到合理的自然观和宇宙观的建立,而超光速的可能性问题成为它们与量子力学(QM)矛盾的焦点。叙述了与EPR思维直接相关的量子信息学的发展。认为应深入研究EPR才能消除神秘感。     

量子隧穿时间与脉冲传播的负时延

为了计算粒子隧穿通常认为是禁区的势垒的时间,应考虑波包的传输。这被许多科学家(如MacColl、Wigner、Hartman、Büttikar等)讨论过。按照Hartman的解析表达式,隧穿时间是非零的正值;而对于较厚的势垒,传输时间与垒厚无关。这为粒子的超光速运动提供了理论上的可能性。1960年L.Brillouin讨论了色散媒质中的光传播,结果认为信号速度vs与群速vg并无不同,除非在反常色散区。vg可以比真空中光速大(vgc),甚至变为负值(vg0)。这样就使人们对波传播中的负时延产生了兴趣。但Brillouin说"负群速(NGV)没有物理意义",现在我们知道这样讲是错误的。本文着重研究了负群速特征(NGVF);首先指出存在两种情况:空间中的反向运动和对时间的反向运动。指出在波动力学中波速度(例如vp、vg)是标量,故NGV的含义并非仅为"运动方向反了过来"。其次指出NGV波是超前波,它不仅比真空中光速c快,而且快到在完全进入媒质前就离开了媒质。电磁脉冲可以作时间超前运动是一种负性运动。这种现象对物理学家而言很重要,因为他们想知道究竟发生了什么。最后给出了我们使用互补类Ω结构(COLS)构成的左手传输线的微波脉冲传输特性的实验研究。在(5.6~6.1)GHz形成阻带,其中状态为反常色散。获得了NGV特征,即脉冲超前传播——输入脉冲峰进入样品前输出脉冲峰即在出口浮现。获得了负群速,vg=(-0.13 c)~(-1.85 c)。     

波科学理论的改进

波动是物质存在的一种形态,又是物质运动的独特形式.波科学研究经典波动和量子波动,而这二者不能截然分开.例如电磁波既是宏观的经典波,又是与微观世界相联系的波;这反映在光子身上,它是一种独特的微观粒子.1926年Schr(o)dinger创造了量子波动力学,Schr(o)dinger方程成为反映量子世界运动规律的基本方程.量子力学中波函数的复杂化来源于非经典波动的复杂性;通常认为光子是电磁场量子,但似不应把光子等同于电磁波.如光子也像电子那样(波动性有统计性质),它与经典电磁波确实不完全一样,讨论“光子的几率波方程问题”并不为错.故我们说光子至今没有自己专属的波函数和波方程,因而无法确切地代表和呈现光子奇怪的特性.改进波科学理论的一个重要内容是电磁波自洽的数学逻辑结构,为此要使用与经典力学(CM)中不同的数学方法,例如矢量算子理论和广义函数论.Newton的经典力学和Einstein的相对论力学主要针对实物(粒子或物体)而建立,但场与波并非实体物质.量子力学(QM)中的算子运算方法和波函数空间概念对波科学研究有重要意义,而现代电磁场理论非常适合波科学分析,能提供基本的电磁波矢量方程组,并突出地把旋量场、无旋场区分开来.波速研究是波科学探索的一个重点和突破口,尽管波科学研究不能脱离经典力学,但不能完全沿用CM的思维方式,波速的标量性就是证明.本文对波科学中群速公式的重新推导表明,2000年公布的WKD负群速实验并非“在计算公式上犯了错误”.……自1970年以来科学界开展的对“光脉冲负波速传播”的理论与实验研究,在今天仍深具启发性,因它关系到对“负时间”和“超前波”的理解.相关的研究以及对Bose双三棱镜中的消失态研究,丰富了波科学的内容,并改进了对它的认识.最后,关于2016年2月美国LIGO宣布的“发现了引力波”,已有多国(德国、巴西、中国等)的科学家认为其结果可疑.他们或在科学刊物上发表论文,或致函NOBEL物理学奖委员会主席Olle Ingan(a)s教授,对LIGO提出了尖锐的批评.然而本文指出,对“LIGO发现了引力波”一事有两个不同层面的问题存在——是LIGO的技术水平不够,还是其方法依据的理论有问题？本文认为在场论中有一个根本点是把场分为两大类——旋量场和无旋场,而Newton发现的万有引力和Coulomb静电场一样都是无旋场,因此缺乏存在引力波的基础.有人至今断言“引力以光速传播”,是与事实不符的错误说法.引力场以远大于光速的速度传播,但不是无限大速度的超距作用.不久前发现的“Coulomb静电场以超光速传播”是有益的启示.     

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。     

无源媒质中电磁波的异常传播

目前人们的研究兴趣是改变光脉冲的群速度,产生光停、慢光、快光(超光速的光).按照物理理论,反常色散媒质中可能出现“快光”,而它就称为“快光媒质”.已有许多产生快光的实验,这就开辟了被称为“色散技术”的研究前景.例如,科学界对群速超过真空中光速c的信号传播感到好奇.而在另一方面,以群速vg行进的短波脉冲、微波脉冲、光脉冲,如vg比无限大还大,就称为负群速(NGV)传播.这时发生如下现象:输入脉冲峰到达被测物(DUT)之前,DUT输出端已呈现脉冲峰的身影.这虽与直观经验不符,但都是实验发现.当某种材料中光的群速为负,这就是NGV媒质.虽然NGV时常出现在增益系统中,无源系统也不断发现NGV现象;后者可由同轴电缆、波导、微带线、光纤而构成.实验中如加大失配即可加大群时延,进而获得NGV.若n为媒质有效折射率,则获得NGV的条件是{f/n dn/df}＞1.虽然许多实验证明了群速超光速现象存在,科学界仍感困惑.2001年证明了关系式(-v)e=|T|2vg((-v)平均能速,T系统传输系数),故当vg很大(vg＞c|T|-2)时能速将比光速大.有关研究带来了令人兴奋的可能性.Brillouin的信号速度定义存在问题,数学意义超越物理意义.我们的反驳是,最重要之点在于传播中不失真的波群(波包).由此出发的理论分析证明,众多NGV研究者已观察到的超光速传播其实就是实现了超光速通信.……超光速群速传播和负群速波传播,这两者各有其用途.科学家们把这与多个领域(如光通信、光场压缩态、量子纠缠)相联系,并得出结论说,高效、低耗的快光的潜在应用是广阔的.     

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.     

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。     

“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.