李学生 （lixueshenglxs@21cn.com）　2007.05

八、关于超光速的争论【1】

《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：５９．超光速佯谬能否解决？６０．快子佯谬能否解决？

费因伯格和苏达山（上世纪中叶物理学家）认为：狭义相对论并不排斥超光速，只是暗示假如真的存在超光速粒子，那么这种粒子将碰到另一种“光障”——速度永远也不能小于或等于光速。而且这些粒子的行为一定很怪异，如：失去能量时速度会变得更快，当能量接近于零时，速度将会变得无限大。

人们所感兴趣的超光速，一般是指超光速传递能量或者信息。根据狭义相对论，这种意义下的超光速旅行和超光速通讯一般是不可能的。目前关于超光速的争论，大多数情况是某些东西的速度的确可以超过光速，但是不能用它们传递能量或者信息。但现有的理论并未完全排除真正意义上的超光速的可能性。天文学家在观测河外天体的时候，曾发现有许多双源结构天体其横向分离视运动速度有超光速现象，这种超光速视运动现象实际是一种假象，它是由于天体辐射的光波其波前在空间中传播速度与天体运动状态有关导致的一种视运动速度失真现象。..1972－1974年美国一些天文学家发现塞佛特星3C120自身膨胀的速度达到光速的4倍。到1977年又陆续发现类星体3C273、3C345 和3C279各自的两组成部分分离速度达到光速的7倍、10倍和19倍。后来，天文学家用分辨率极好的长基线射电干涉仪，又发现了10个类星体的两子源分离速度均达到光速的7到8倍。

最近美国科学家在量子力学领域里做的一些实验，也发现了明显的超光速效应，这个发现在全世界引起了轰动。加利福尼亚大学的粒子物理学家亨利·斯塔普，在仔细研究了这些显示超光速效应的实验结果以后，只好说：“量子力学的确好象要求某种超光速联系”。美国物理学家杰克·萨弗蒂为了检验这些使人吃惊的实验，利用数学计算重现了量子力学实验的超光速效应。他最后说，他的数学计算表明，不仅确实存在一个超光速通讯的渠道，而且人类还能利用超光速来获得梦想不到的好处。

60年代以来，有人提出了超光速粒子的新课题，他们称这种粒子为“快子’。超光速理论工作一般从狭义相对论出发，将其推广，求得既适合于慢子(低于光速的粒子)和光子，又适合于快子的相对论理论。据理论上的推测，快子具有奇异的物理性质。它的质量是虚数，它的速度将随能量的耗散而无限增加，当它的能量趋于零时，则速度趋于无穷大。快子一旦产生，就具有大于光速的速度。要使它的速度减小，必须供给它能量。如要减小到光速，则必须供给它无限大的能量才行，因此其速度不可能减小到光速或低于光速。快子的负能问题是一个复杂的问题。由于负能量的出现，将意味着任何一个物理系统，因为可能无限地释放快子而处于不稳定状态，系统将无限地增加自己的能量，从而导致永动机的出现。而且，更为使人惊异的是，即使无限地产生快子对，也不会破坏能量动量守恒定律，同时也不会改变真空中的总能量。另外，根据洛伦兹变换，快子从一个坐标系转换到另一个坐标系的过程中，可能改变时间的顺序，即时间倒流。这样一来，也许就要出现像打油诗“年青女郎名葆蕾，神行有术光难追，快子理论来指点，今日出游昨夜归”所描绘的“奇迹”。这两个困难问题虽然可以借助二次说明原理(即应该将一个具有负能量的粒子看作是先被吸收，然后再发射，这样一来，负能量与时间倒流和正能量与时间顺流的物理意义完全一样，因而变换坐标系后物理定律依然不变)来解释，但它并没有解决不变的因果律的问题。另外，快子有可能以无限大的速度传播，因而假若存在着快子，就可能瞬时传递作用信息，似乎又可能回到“超距作用”论的概念上去。不过，近10多年来，虽说在理论方面和实验方面都作了不少的工作，但至今尚未取得重大突破。要使快子理论与现代物理学理论协调起来，还需要克服相当多的困难。不过，这却有可能迫使人们跳出目前的理论框架，克服早已习惯了的观念，从而产生巨大而深远的影响。

英国科学刊物《New Scientist》 7月3日说；“美国科学家S.Lamoreaux对在西非的核反应堆的实验数据所作分析表明，在过去20亿年中精细结构常数（α）减小了4.5×10-8，故在过去的光速c比现在略大”。

2005年6月18日出版的《New Scientist》发表了M.Buchanan的文章 “Double jeopardy”。该文说，近年来国际科学界针对Bell不等式与量子力学的矛盾问题做了新的实验，有瑞士的N.Gisin小组，美国的 >小组和D.Wineland小组等。科学家们重申“针对Bell不等式的实验有很大的重要性”；并指出实验结果均与不等式相反，无一例外地证明了量子力学（QD）的正确。这是近20年来（1985~2005年）的研究成果，表明相对论对时空的局域实在论描述有缺陷。例如，相对论假定“nothing can travel faster than light”是不妥的。由于一系列实验（其中有的实验艰难而出色，例如Gisin小组利用埋在Geneva湖的湖水下的光缆，把光子送到25km以外）均违反Bell不等式，使“超光速信号能在粒子间传送”得到确认。实际上，几年来的实验已证实量子纠缠态的影响以超光速（不是无限大）的速度传送。例如早在2000年，Gisin小组在瑞士的两个村庄（相距10km）之间进行实验；他们送出若干对的纠缠态光子，在大约5ps时间间隔完成了测量，据此算出纠缠态影响的传播速度是107c量级（c是光速）。考虑到纠缠态影响相对于别的参考系（例如大爆炸后的微波残余）会有一固定速度，Gisin等找出这个超光速速度是104c以上。

——1978年R.M.Santilli创立了强子力学（Hadronic Mechanics, HM）。它与量子力学（QM）不同之处在于，QM把基本粒子视为点状粒子，互相之间总有一定距离；而HM视基本粒子为有一定尺寸的延展性粒子，即波包；粒子间可以有一定距离，但也可以相互重叠和接触。以Dirac方程为例，尽管它可以描述例如电子这种单粒子的运动，却无法描述组合在一起的（强子）粒子，例如质子和中子。2005年6月21日~23日在瑞典Karlstad大学召开了第18届强子力学国际讨论会，在会上A.O.E.Animalu教授论述了强子力学的主要特点，并指出“存在着扩展了相对论的情况，即真空中速度超过光速的状况”。

意大利科学家V.de Sabbata在第242次香山科学会议上曾作了题为“强子物体内的超光速可能性及量子引力问题”的报告。实际上，早在1981年V.de Sabbata和M.Gasperini即在《Lett. al Nuovo Cimento》上发表文章，题为“光速可变性引起的自发对称性破缺”。文章涉及Higgs场、弱相互作用、Yang-Mills方程、弯曲时空等多个领域；但其主要内容却是，在假定光速是一个变量的条件下，引用强引力耦合系数（strong gravity coupling constant）概念进行推导，结果算出在hadron宇宙内“光以75c的恒定速度传播”。文章认为，在早期宇宙时光速比c大得多；它随时间而变，逐渐降低到现在的值（即c）。——2000年6月，江兴流教授在《科技导报》上发表文章“电化学异常现象与挠场理论”。在242次香山科学会议上，他重申“挠场传播是超光速的”。早年，Einstein曾和Cartan一起研究，搞所谓的挠场（Torsion field）理论。这是因为广义相对论在处理时空性质时只考虑了曲率，而未考虑挠率。此外，在引力理论中往往只重视物质的能量，而忽略了物质的自旋。因而，在开始时挠场理论的出现仿彿只是对广义相对论的补充和发展。但在近年来，这方面的研究发挥到别的方面，例如对真空中零点能（zero energy）的提取；因而在新世纪到来时重新引起人们的注意和重视。反映时空挠曲的理论由于对自旋的重视又被称为自旋场（Spin field），它和引力场、电磁场相并列而被看作是物理真空在不同条件下的不同表现。俄罗斯科学界认为，挠场产生于物体的自旋，它对物体的作用也只限于自旋状态的改变。由于任何物质均表现出综合的自旋，故物质均有挠场。这方面的研究工作，中国科学界还是很生疏的。值得注意的是，挠场的传播速度据说是V>109c；这种情况是量子力学中非局域性（Non-locality）的表现之一。2001年，焦克芳研究员曾采用磁挠场的观点来解释王力军的超光速实验。他认为，一般情况下铯原子气体是正常色散介质；但在外加磁场诱导下，双原子分子中两个电子将不同（一个与外磁场同向、另一个反向）。这时如用光脉冲通过的方式提供适当能量，将使上述二者发生跃迁而到达高能激发态。由于在单极耦合的反成键态周围存在磁挠场，对有了磁性的粒子产生加速作用。王力军实验成功的关键是维持磁挠场不消失，通过一定方法保持反成键态的连续存在。

一、 “超光速”的定义

　一切物体都是由粒子构成的，如果我们能够 描述粒子在任何时刻的位置，我们就描述了物体的全部“历史”。想象一个由空 间的三维加上时间的一维共同构成的四维空间。由于一个粒子在任何时刻只能处 于一个特定的位置，它的全部“历史”在这个四维空间中是一条连续的曲线，这就是“世界线”。一个物体的世界线是构成它的所有粒子的世界线的集合。

　　 不光粒子的历史可以构成世界线，一些人为定义的“东西”的历史也可以构成世界线，比如说影子和光斑。影子可以用其边界上的点来定义。这些点并不是 真正的粒子，但它们的位置可以移动，因此它们的“历史”也构成世界线。

　　 四维space-time中的一个点表示的是一个“事件”，即三个空间坐标加上一个时间 坐标。任何两个“事件”之间可以定义space-time距离，它是两个事件之间的空间距离 的平方减去其时间间隔与光速的乘积的平方再开根号。狭义相对论证明了这种时 空距离与坐标系无关，因此是有物理意义的。

　　 space-time距离可分三类： 类时距离：空间间隔小于时间间隔与光速的乘积； 类光距离：空间间隔等于时间间隔与光速的乘积； 类空距离：空间间隔大于时间间隔与光速的乘积。一条光滑曲线，“局部”地看，非常类似一条直线。类似的，四维space-time在局部是平直的，世界线在局部是类似直线的， 也就是说，可以用匀速运动来描述，这个速度就是粒子的瞬时速度。光子的世界线上，局部地看，相邻事件之间的距离都是类光的。在这个意义 上，我们可以把光子的世界线说成是类光的。

　　 任何以低于光速的速度运动的粒子的世界线，局部的看，相邻事件之间的距离都是类时的。在这个意义上，我们可以把这种世界线说成是类时的。而以超光速运动的粒子或人为定义的“点”，它的世界线是类空的。这里说世界线是类空的，是指局部地看，相邻事件的space-time距离是类空的。

　　 因为有可能存在弯曲的space-time，有可能存在这样的世界线：局部地看，相邻事 件的距离都是类时的，粒子并没有超光速运动；但是存在相距很远的两个事件， 其space-time距离是类空的。这种情况算不算超光速呢？

　　 这个问题的意义在于说明既可以定义局部的“超光速”，也可以定义全局的 “超光速”。即使局部的超光速不可能，也不排除全局超光速的可能性。全局超 光速也是值得讨论的。

　　 总而言之，“超光速”可以通过类空的世界线来定义，这种定义的好处是排 除了两个物体之间相对于第三观察者以“超光速”运动的情况。

　　 二、“超光速”的实例分析　

1。切伦科夫效应 媒质中的光速比真空中的光速小。粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质中的光速,此时会发生辐射，称为切仑科夫效应,但这不是真正意义上的超光速，真正意义上的超光速是指超过真空中的光速。 　　

2。第三观察者 如果A相对于C以0.6c的速度向东运动，B相对于C以0.6c的速度向西运动。对 于C来说，A和B之间的距离以1.2c的速度增大。这种“速度”--两个运动物体之间相对于第三观察者的速度--可以超过光速。但是两个物体相对于彼此的运动速 度并没有超过光速。在这个例子中，在A的坐标系中B的速度是0.88c。在B的坐标 系中A的速度也是0.88c。 　　

3。影子和光斑 在灯下晃动你的手，你会发现影子的速度比手的速度要快。影子与手晃动的 速度之比等于它们到灯的距离之比。如果你朝月球晃动手电筒，你很容易就能让 落在月球上的光斑的移动速度超过光速。遗憾的是，不能以这种方式超光速地传 递信息。 　　

4。刚体 敲一根棍子的一头，振动会不会立刻传到另一头？这岂不是提供了一种超光速通讯方式？很遗憾，理想的刚体是不存在的，振动在棍子中的传播是以声速进 行的，而声速归根结底是电磁作用的结果，因此不可能超过光速。　　

5。相速度 光在媒质中的相速度在某些频段可以超过真空中的光速。相速度是指连续的 (假定信号已传播了足够长的时间，达到了稳定状态)的正弦波在媒质中传播一段 距离后的相位滞后所对应的“传播速度”。很显然，单纯的正弦波是无法传递信 息的。要传递信息，需要把变化较慢的波包调制在正弦波上，这种波包的传播速 度叫做群速度，群速度是小于光速的。(译者注：索末菲和布里渊关于脉冲在媒 质中的传播的研究证明了有起始时间的信号[在某时刻之前为零的信号]在媒质中 的传播速度不可能超过光速。) 　　

6。EPR悖论 1935年Einstein,Podolski和Rosen发表了一个思想实验试图表明量子力学的不完全性。他们认为在测量两个分离的处于entangled state的粒子时有明显的超距作用。Ebhard证明了不可能利用这种效应传递任何信息，因此超光速通信不存在。但是关于EPR悖论仍有争议。 　　

7。虚粒子 在量子场论中力是通过虚粒子来传递的。由于海森堡不确定性这些虚粒子可以以超光速传播，但是虚粒子只是数学符号，超光速旅行或通信仍不存在。 　　

8。量子隧道

量子隧道是粒子逃出高于其自身能量的势垒的效应，在经典物理中这种情况 不可能发生。计算一下粒子穿过隧道的时间，会发现粒子的速度超过光速。(Ref: T. E. Hartman, J. Appl. Phys. 33, 3427 (1962))一群物理学家做了利用量子隧道效应进行超光速通信的实验：他们声称以 4.7c的速度穿过11.4cm宽的势垒传输了莫扎特的第40交响曲。当然，这引起了很大的争议。大多数物理学家认为，由于海森堡不确定性，不可能利用这种量子效应超光速地传递信息。如果这种效应是真的，就有可能在一个高速运动的坐标系中利用类似装置把信息传递到过去。Terence Tao认为上述实验不具备说服力。信号以光速通过11.4cm的距离用不了0.4纳秒，但是通过简单的外插就可以预测长达1000纳秒的声信号。因此需要在更远距离上或者对高频随机信号作超光速通信的实验。 　　

9。卡西米(Casimir)效应 当两块不带电荷的导体板距离非常接近时，它们之间会有非常微弱但仍可测量的力，这就是卡西米效应。卡西米效应是由真空能(vacuum energy)引起的。 Scharnhorst的计算表明，在两块金属板之间横向运动的光子的速度必须略大于光速(对于一纳米的间隙，这个速度比光速大10^-24。在特定的宇宙学条件下(比如在宇宙弦[cosmicstring]的附近[假如它们存在的话])，这种效应会显著得多。 但进一步的理论研究表明不可能利用这种效应进行超光速通信。

10。宇宙膨胀 哈勃定理说：距离为D的星系以HD的速度分离。H是与星系无关的常数，称为哈勃常数。距离足够远的星系可能以超过光速的速度彼此分离，但这是相对于第三观察者的分离速度。 　　

11。月亮以超光速的速度绕着我旋转！ 　　当月亮在地平线上的时候，假定我们以每秒半周的速度转圈儿，因为月亮离我们385，000公里，月亮相对于我们的旋转速度是每秒121万公里，大约是光速的四倍多！这听起来相当荒谬，因为实际上是我们自己在旋转，却说是月亮绕着我们转。但是根据广义相对论，包括旋转坐标系在内的任何坐标系都是可用的， 这难道不是月亮以超光速在运动吗？

问题在于，在广义相对论中，不同地点的速度是不可以直接比较的。月亮的速度只能与其局部惯性系中的其他物体相比较。实际上，速度的概念在广义相对 论中没多大用处，定义什么是“超光速”在广义相对论中很困难。在广义相对论中，甚至“光速不变”都需要解释。爱因斯坦自己在《相对论：狭义与广义理论》 第76页说“光速不变”并不是始终正确的。当时间和距离没有绝对的定义的时候，如何确定速度并不是那么清楚的。尽管如此，现代物理学认为广义相对论中光速仍然是不变的。当距离和时间单位通过光速联系起来的时候，光速不变作为一条不言自明的公理而得到定义。在前面所说的例子中，月亮的速度仍然小于光速，因为在任何时刻，它都位于从它当前位置发出的未来光锥之内。 　

12。量子场论 　　到目前为止，除引力外的所有物理现象都符合粒子物理的标准模型。标准模 型是一个相对论量子场论，它可以描述包括电磁相互作用、弱相互作用、强相互 作用在内的三种基本相互作用以及所有已观测到的粒子。根据这个理论，任何对 应于两个在有类空距离的事件处所作物理观测的算子是对易的(any air of operators corresponding to physical observables at space-time events which are separated by a space like interval commute)。

　　 原则上讲，这意味着任何作用不可能以超过光速的速度传播。 但是，没有人能证明标准模型是自洽的(self-consistent)。 很有可能它实际上确实不是自洽的。无论如何，它不能保证将来不会发现它 无法描述的粒子或相互作用。也没有人把它推广到包括广义相对论和引力。很多 研究量子引力的人怀疑关于因果性和局域性的如此简单的表述能否作这样的推广。 总而言之，在将来更完善的理论中，无法保证光速仍然是速度的上限。 　　

13。虫洞 　　关于全局超光速旅行的一个著名建议是利用虫洞。虫洞是弯曲space-time中连接两个地点的捷径，从A地穿过虫洞到达B地所需要的时间比光线从A地沿正常路径传 播到B地所需要的时间还要短。虫洞是经典广义相对论的推论，但创造一个虫洞 需要改变space-time的拓扑结构。这在量子引力论中是可能的。

　　 开一个虫洞需要负能量区域，Misner和Thorn建议在大尺度上利用Casimir效 应产生负能量区域。Visser建议使用宇宙弦。这些建议都近乎不切实际的瞎想。 具有负能量的怪异物质可能根本就无法以他们所要求的形式存在。

　　 Thorn发现如果能创造出虫洞，就能利用它在space-time中构造闭合的类时世界线， 从而实现时间旅行。有人认为对量子力学的多重性(multiverse)解释可以用来消 除因果性悖论，即，如果你回到过去，历史就会以与原来不同的方式发生。Hawking认为虫洞是不稳定的，因而是无用的。但虫洞对于思想实验仍是一 个富有成果的区域，可以用来澄清在已知的和建议的物理定律之下，什么是可能的，什么是不可能的。 　　

14。曲相推进(warp drive) 　　曲相推进是指以特定的方式让space-time弯曲，从而使物体超光速运动。Miguel Alcubierre因为提出了一种能实现曲相推进的space-time几何结构而知名。space-time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，曲相推进也需要具有负能量密度的怪异物质。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相推进。

参考文献：

【1】本文编译自Relativity FAQ (http://www.corepower.com/ Philip Gibbsneo6编译

附录：“超光速实验”引起全球关注 >转载}

2001年5月起，一个消息在大报小报上炸响，至今还在网上延烧，那就是华裔科学家王力军主持的“超光速实验”。如果“超光速”得到验证，那就意味着现代物理学的基础理论爱因斯坦相对论的瓦解，因为相对论的基础之一是没有任何东西可以超越光速。然而6月份，在美国新泽西州ＮＥＣ研究所做研究员的王力军站出来澄清了，所谓“超光速”是媒体以讹传讹的报导。他的实验只是利用铯原子气体的反常色散现象，成功地在实验中使激光脉冲群速度达到真空光速的310倍之多。这一现象表明光波群能以“超光速”传播。但凭这种现象并不能“推翻Einstein相对论”。

据报导，王力军和他的研究小组采用一种新方法，用激光将通常为16种量子状态下的铯原子置于仅一种量子状态之下，组建了一个长6厘米的铯原子气室。在气室入口和出口分别放置了探测器，然后将一束持续时间3.7微秒的激光脉冲射向气室。观察到在气室出口的探测器相比于真空状态下提前62纳秒测到了同样形状的光脉冲。这表明，强烈的反常色散使得脉冲顶在进入气室之前就已离开了气室。光脉冲在铯原子气体中的群速度为光速的310倍，脉冲能量及波形在介质传播中无较大改变。

就在王力军将他的研究成果交由《自然》杂志等待发表的期间，该项实验被《纽约时报》于5月30日抢先报道。其报道的用词震惊全球：“华裔科学家王力军和他的同事成功地打破光速极限，在实验室把光的速度提高了300倍。”此后随着各种媒体不断转载转述，标题越来越耸人听闻，描述也越来越与基本事实疏离。如他被描写成“发现超光速”的科学家，其实验“推翻爱因斯坦相对论”。而他发现的“超光速”传输方式，不但可以用来研发“没有时间差距”的电脑运送数据科技，甚至还有可能用来打造“时间飞行器”，进而打破自然界因果规律等等。

看到各种报章报道的王力军感到浑身不自在，6月初，他在美国媒体上公开说出了自己的苦恼，担心自己会因这些报道而成为科学界的笑柄。王力军说，他的“超光速”研究，其实在过去已被证明过，这在光学研究界亦不是破天荒的发现。

王力军在接受新华社记者采访时解释了“超光速实验”到底是怎么回事。他说，虽然观察到的光脉冲波峰速度超过光速，但这并不意味着实现了信号的超光速传播。光波是有长度的，只有波头的传播速度才可以算作是信号的传播速度，作为波峰传播速度的群速度不能用于计算信号传播速度。群速度有可能超光速，但波头的速度是始终超不过光速的，因而与狭义相对论是吻合的。

王力军说，他的实验表明，在人工特制的透明介质中，光波群速度可以远远超过真空中的光速，这是自然界见不到的现象。传统物理学认为，任何有质量的物体的运动速度不会大于光速。“尽管这一结论依然正确，但以前被错误地应用于光的领域。我们的实验证明，光的群速度并不为它的真空速度所限，‘超光速现象’也可以在透明介质中发生。”

不过他认为，这一现象“不违反狭义相对论的基本原则，也不违背因果律，即事件的原因发生在其结果之前。这种现象并不能用于超光速传递信息或超光速旅行。”

现在新泽西州普林斯顿的ＮＥＣ基础研究所负责量子光学研究项目的王力军是中国旅美学者。1986年他从中国科技大学现代物理系毕业后，赴美国罗彻斯特大学攻读博士学位。1992年在获得博士学位后，又到北卡罗来纳州的杜克大学做博士后，进行原子物理研究。据报导，1996年间王力军看了加州大学伯克莱分校一位赵教授的论文，对“超光速”产生了浓厚兴趣，开始了这方面的探索，曾先后发表了数十篇光学方面的专业论文。除了在新泽西州普林斯顿的ＮＥＣ基础研究所进行研究工作外，王力军还兼任了美国光学学会权威杂志《光学通信》量子光学与激光光谱方面的专题编辑。

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