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法治皇权唯法独尊

唵·心存宇宙生生不息演化唯法独尊物质不灭哈哈哈……

 
 
 

日志

 
 

超光速(faster-than-light, FTL或称superluminality  

2017-03-27 04:45:17|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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超光速

 

(物理学名词)

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超光速(faster-than-light, FTL或称superluminality)会成为一个讨论题目,源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制,光速(真空中大约为3亿米/秒,光速定义值c=299792458m/s=299792.458km/s)成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。除非世上存在自旋超过5的粒子,不然是不可能达到的。(因为超光速超越了光速)
2011年9月22日,意大利物理学家在OPERA实验中发现了一种超光速的中微子,如果实验数据确凿无误,爱因斯坦的相对论将会受到挑战。OPERA的此次实验由位于意大利中部山区的格兰萨索国家实验室(LNGS)与位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织(CERN)合作进行,实验结果基于对16,111次中微子测量事件的观察, 标示出了中微子的旅行速度以40322.58分之一超出光速, 为现实中宇宙速度的极限。考虑到这是一个潜在的影响深远的结果,在结论被驳斥或坚实建立之前,还需要更多独立而无关的测量。但是该实验最终错误,是测量人员的技术失误。于2012年6月8日向世界公布实验错误。
其实超光速就是超过光速的速度。
中文名
超光速
外文名
Faster-than-light或Superluminal
简    称
FTL
所属学科
物理
所属领域
速度

欧洲科学家尝试超光速粒子存在

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彻底颠覆爱因斯坦相对论将不再成立

据英国《每日邮报》网站 2011年11月18日报道,欧洲核子研究中心的物理学家们日前再度推翻“光速最快”的说法,他们通过实验反复证明中微子的飞行速度的确可以超过光速,这很有可能会颠覆支撑现代物理学的爱因斯坦相对论。
爱因斯坦的狭义相对论认为,光速是宇宙速度的极限,没有任何物质可以超越光速。但欧洲核子研究中心的科学家们在2011年9月宣布,他们发现一些粒子,如中微子等可能以快于光速的速度飞行。当时,该中心发声明称,这个结果的潜在影响巨大,急需重复实验及其他实验室的独立检测。
在最近的实验中,该中心与意大利格朗萨索国家地下实验室进行了合作。研究人员们不但优化了最先的实验方案,而且还利用新方案进行了多达20次的重复实验,所得结果与先前的发现完全一致。
一些物理学家指出,一旦有些粒子确实被证实跑过了光速,那将彻底改变人类对整个宇宙存在的看法,甚至改变人类存在的模式。其中一种观点认为,宇宙中可能还存在其他未知维度,中微子正是抄了其他维度的“近路”,才“跑”得比光快。[1] 
但最终实验还是失败了。
超光速
超光速(5张)

研究

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2000年7月,由于英国《自然》(Nature, 2000, 406:277)杂志发表了一篇关于“超光速”实验的论文,引起了人们对超光速到底是否存在的讨论。其实对在介质中使光脉冲的群速度超过真空中光速c, 科学家们早有研究,
超光速
超光速(15张)
而Nature中报道的这个实验就是实现了这种想法。但是这并非是人们想象的那种所谓违反因果律(或者相对论)的超光速,为了说明这个问题,让我们看一看由华人科学家王力军所做的这个实验。
光脉冲是由不同频率、振幅相位的光波组成的波包,光脉冲的每个成分的速度称为相速度,波包峰的速度称为群速度在真空中二者是相同的,但是在介质中如我们所知道的存在如下的群速度与介质。
折射率的关系:
vg = c / ng , ng = n + ω(dn/dω)
显然在一定的情况下(如反常色散很强的介质)可以出现负的群速度,此时,光脉冲在介质中传播比真空中花的时间短,其差ΔT = (L/v) - (L/c)达到绝对值足够大时就可以观察到“超光速”现象,即“光脉冲峰值进入介质以前,在另一边已经有脉冲峰出射了”(由王力军原文译)。
那么这种超光速是不是违背因果律呢?我们仔细考查王的实验就会发现,出射光脉冲虽然是在入射脉冲峰值进入介质之前出现的,但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了(如图),因此出射脉冲可以看作是由入射脉冲前沿与介质相互作用产生的。其实王的实验重要意义正在于实现了可观测的负群速度的这一现象,而不是像媒体炒作的那样发现了什么“超光速”,负的群速度在这里就不能理解为光的速度了,它也不是能量传输的速度。当然,这一实验本身就说明我们人类对光的认识又前进了一步。对这个实验的解释只凭折射率与群速度的关系这个公式是远远不够的,这其中包含了量子干涉的效应,涉及到对光的本质的认识,揭开蒙在“超光速实验”头上的面纱,仍然是科学家们奋斗的目标。
很多人在了解了这个实验后就会想到能否用这种“超光速”效应来传递信息,在王的实验中,“超光速”的脉冲不能携带有用的信息,因此也就无从谈起信息的超光速传递,同样能量的超光速传输也是不行的。
与超光速实验具有相同轰动效应的是另一种“超光速”现象quantum teleportation即量子超空间传输(或量子隐形传态),这个奇妙的现象因其与量子信息传递及量子计算机的实现有密切联系而引起人们的关注。所谓超空间,就是量子态的传输不是在我们通常的空间进行,因此就不会受光速极限的制约,瞬时地使量子态从甲地传输到乙地(实际上是甲地粒子的量子态信息被提取瞬时地在乙地粒子上再现),这种量子信息的传递是不需要时间的,是真正意义的超光速(也可理解为超距作用)。在量子超空间传输的过程中,遵循量子不可克隆定律,通过量子纠缠态使甲乙粒子发生关联,量子态的确定通过量子测量来进行,因此当甲粒子的量子态被探测后甲乙两粒子瞬时塌缩到各自的本征态,这时乙粒子的态就包含了甲粒子的信息。这种信息的传递是“超光速”的。
但是,如果一位观测者想要马上知道传送的信息是什么,这是不可能的,因为此时粒子乙仍处于量子叠加态,对它的测量不能得到完全的信息,我们必须知道对甲粒子采取了什么测量,所以不得不通过现实的信息传送方式(如电话,网络等)告诉乙地的测量者甲粒子此时的状态。最终,我们获得信息的速度还是不能超过光速!量子超空间传输的实验已在1997年实现了(见Nature,390,575.1997)。2011年7月已经证实中微子超光速7公里(最后证实该实验数据错误)。
以上两个超光速的方案还只处于理论探讨和实验阶段,离实用还有很远的距离,而且这两个问题都涉及到物理学的本质,实验现象及其解释都在争论之中。
宇宙暴涨
相对论限定,物体在空间中运行速度不能达到或超越光速,但没有限定时空本身,所以宇宙暴涨速度能超过光速。
  
超光速飞行超光速飞行
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,在这种情况下会发生辐射(切伦科夫辐射),称为切仑科夫效应(Cherenkov effect)。
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,在这种情况下会发生辐射,称为切仑科夫效应。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。
一般来说,肉眼看不见切伦科夫效应,但是当它的强度很大时,会在屏蔽某些核反应堆的池水中出现微弱的浅蓝色的光辉。在这种情况下,看得见的切伦科夫辐射是由于反应堆射来的高能电子的速度比光在水中的速度大而比光在真空中的速度小的原因引起的。也就是说,这时高能电子的速度在2.25×108m/s与3×108m/s之间。
在日常生活中,也可找到切伦科夫效应的例子。例如,当船在水中以大于水波的波速运动时,船前的波就可以看成是切伦科夫效应的例子。又例如,在空气中,一架喷气式飞机以大于声速运动时,飞机前头的空气波。也可以作为说明切伦科夫效应的例子。
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。
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。
影子和与手晃动的速度之比确实等于它们到灯的距离之比,但影子的最快速度不会超过光速.光斑也是如此.假设有一个仰角为60度的斜坡,一个物体以0.6C的速度水平运动,那么理论上在斜坡上的投影的速度是1.2C,实际上影子最大速度为C.现象表现为影子不会出现在该物体垂直投射的方位,而是会滞后.。
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。(一个有趣的问题是,竖直地拎着一根棍子的上端,突然松手,是棍子的上端先开始下落还是棍子的下端先开始下落?答案是上端。)
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。)
超光速星系
朝我们运动的星系的视速度有可能超过光速。这是一种假象,因为没有修正从星系到我们的时间的减少。
举一个例子:假如我们测量一个离我们10光年的星系,它的运动速度为2/3 c,并且朝向地球运动。
现在测量,测出的距离却是30光年,因为它当时发出的光到时,星系恰到达10光年处。
3年后,星系到了8光年处,那末视距离为8光年的3倍,即24光年。
结果,3年中,视距离减小了6光年……
相对论火箭
地球上的人看到火箭以0.8c的速度远离,火箭上的时钟相对于地球上的人变慢,是地球时钟的0.6倍。如果用火箭移动的距离除以火箭上的时间,将得到一个“速度”是4/3 c。(这里有问题,首先,以火箭做为参考系,火箭的速度是0,这时候只能计算地球远离火箭的速度,火箭参考系的时间是地球的0.6倍,地球远离火箭的速度=0.6*0.8c/0.6=0.8c因此,火箭上的人是以“相当于”超光速的速度运动。对于火箭上的人来说,时间没有变慢,但是星系之间的距离缩小到原来的0.6倍,因此他们也感到是以相当于4/3 c的速度运动。这里问题在于这种用一个坐标系的距离除以另一个坐标系中的时间所得到的数不是真正的速度。
万有引力传播的速度
万有引力传播的速度为光速,在相对论中,万有引力的存在只是时空的弯曲的后果,并不是实际存在的一种力,且这种“后果”以光速传播。
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。
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。
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。
Ref: W. Heitmann and G. Nimtz,Phys Lett A196,154 (1994); A. Enders and G. Nimtz,Phys Rev E48,632 (1993)
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。
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。
Ref: K. Scharnhorst,Physics Letters B236,354 (1990) S. Ben-Menahem,Physics Letters B250,133 (1990) Andrew Gould (Princeton,Inst. Advanced Study). IASSNS-AST-90-25Barton & Scharnhorst,J Phys A26,2037 (1993)

超光速辨析及导致的现象

超光速理论尚不能被我们理解,但聪明的人类是否窥测到其中的奥妙?
首先,我们必须了解到我们作为人的局限性。在静止的惯性系下我们对于时间的认识是通过相同时间段内的物体位移来累加,而对于Δt,也即最小单位时间我们却无从下手。但因为我们是人,不是神,必然有一个与我们的思维时空相对应。如爱因斯坦提出光速不变原理,我们可想象成光变为秒针的格,每秒光走过一格,也即光速不变实际上是指我们作为参照系中的观察者,本身对时间间隔Δt的感知是恒定的,光速不变是以这个感知频次的恒定为前提条件的。
我们的观察自我感觉是连续的,实际上是有一个频次的。根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2,我们知道静止质量的消失并不意味着真空,而是以其它形式体现出来,因此我们需要重新界定数字的意义。当物体达到光速(虽然理论上不太可能),其视界与我们相切。根据光速不变原理,也即电磁波传播速度不变原理,我们知道每个参照系下的观察频次以观察者为主不动摇,观察者虽然在连续观察,但也是通过辨别来认识事物,我们可以对所谓的连续观察进行辨别时间切片,也即该辨别时间间隔与光速是同步的不动摇。
当物体达到光速时,已经与我们的辨别时间切片达到1:1的范畴,此时我们参照系的观察者既无法认识光速的物体,物体也无法响应观察者。虽然此时视界脱离,但我们不取为0点,而取此时为1.即观察者与物体是沿着比例为1的绝对时空观平行前进,只是该物体与我们的观察时间切片平行,我们无法获取到任何相关信息,但并不表示该物体不存在,所以取此时为1. 当物体继续加速,是否时光就倒流了那?答案显然是否定的,当以1为取点时,超距也即超过光速的作用被移到分母,也即变为1/X 的模式(因为我没有相对的变换数字的计算方法,希望有科学家进行相关数据的探讨),此时我们仍旧无法直接观察或认知到该物体。我们此时时间观察切片为1,而物体的运动切片可能为2,也即我们会丢失掉一格的观察。不过我们聪明,可以自降频率,也即我取物体的运动切片每2个取样1次。这个的意思就是我们观察到该物体不连续的,可能该物体突然出现,又突然湮没,我们不明所以,但其实只是我们的观察跟不上物体的时空转换了。
我们平常自认为的逻辑就是物质不会凭空产生,也不会凭空消失,物质连续不断,而超距的作用会使这些实现,但不会是时间倒流,如果我们取为1点,就很容易理解了。
超光速导致很多现象,如脉冲星,其运行速度超过光速(非自转),我们将观察为脉冲形式,从我们的参照系观察,脉冲星频率越高,其超越光速的速度越小,脉冲星频率越低其速度超越光速越大。而黑洞则是速度刚好等于光速的星体。

超光速原理

人类并未完全理解和完整阐释基础理论机构,尤其是牛顿三定律——运动力学的研究。我们的理解一直沉溺在宏观上的研究。正确的方向,应该发展的是去完整阐释,牛顿三定律在微观上的运动本质根源。但是很多人没有意识到科学定律和生活中的细节。
我们的研究开始,仅仅是来自一束光——一束透过玻璃的光。然后揭开物质运动和“速度”本质。光透过玻璃不仅仅有折射和动量守恒的结果,还有速度的变化的过程。而这个过程,就是无意中让我们窥探到运动“速度”的微观本质奥秘。外因总是通过内因才能改变事物状态。我们以此思想为突破物质运动微观本质的指导。物质运动“速度”的根源,必定有一个内因存在,然后才能让我们看见宏观的外在现象——即牛顿三定律可以解释和看到的现象。当然,也许或者可能还存在牛顿三定律无法看到的更广义的“极端”现象。
作为严谨的科学研究,我们不可能只拿光透过玻璃这个现象来论证自己的理论。为此我们找了许多年,看了许多基础实验的可以查证结果的现象。终于让我们找到了“正反电子接触湮灭瞬间变成高能光子”的现象。正反电子湮灭的过程,就是非常明显的物质粒子内部某种结构破坏和重组产生的现象过程。这也是“内因改变外因”的最有利证据。
因此,我们在一定程度上解释了物质运动“速度”的奥秘,并在此基础理论框架的基础之上,推演出了“物质运动超光速原理“、解释了极端情况下动量不守恒和太阳日冕百万度高温的成因、宇宙奇点大爆炸之前的宇宙、对”宇宙空间“的阐释和"宇宙膨胀"天体红移现象、甚至推演出一种极有可行的”时空穿梭“方法。
推荐书目:《星际之门-空间飞行器超光速原理》

宇宙膨胀

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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。
月亮以超光速旋转
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。
明确超光速的定义
第一部份列举的各种似是而非的“超光速”例子表明了定义“超光速”的困难。象影子和光斑的“超光速”不是真正意义的超光速,那么,什么是真正意义上的超光速呢?
在相对论中“世界线”是一个重要概念,我们可以借助“世界线”来给“超光速”下一个明确定义。
什么是“世界线”?我们知道,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时空。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”在这个四维时空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。
四维时空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”之间可以定义时空距离,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。
时空距离可分三类:类时距离:空间间隔小于时间间隔与光速的乘积类光距离;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
下面我们需要引入“局部”的概念。一条光滑曲线,“局部”地看,非常类似一条直线。类似的,四维时空在局部是平直的,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,相邻事件的时空距离是类空的。
因为有可能存在弯曲的时空,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,其时空距离是类空的。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。
下面来考虑一下什么是我们想超光速传送的“东西”,主要目的是排除“影子”和“光斑”之类没用的东西。粒子、能量、电荷、自旋、信息是我们想传送的。有一个问题是:我们怎么知道传送的东西还是原来的东西?这个问题比较好办,对于一个粒子,我们观察它的世界线,如果世界线是连续的,而且没有其他粒子从这个粒子分离出来,我们就大体可以认为这个粒子还是原来那个粒子。
显然,传送整个物体从技术上来讲要比传送信息困难得多。我们已经可以毫无困难地以光速传递信息。从本质上讲,我们只是做到了把信息放到光子的时间序列上去和从光子的时间序列中重新得到人可读的信息,而光子的速度自然就是光速。
类似地,假如快子(tachyons,理论上预言的超光速粒子)真的存在的话,我们只需要发现一种能够控制其产生和发射方向的技术,就可以实现超光速通信。
极其可能的是,传送不同的粒子所需要的代价是极其不同的,更经济的办法是采用复制技术。假如我们能够得到关于一个物体的全部信息,并且我们掌握了从这些信息复制原物体的技术,那么超光速通信与超光速旅行是等价的。
科幻小说早就有这个想法了,称之为远距离传真(teleport)。简单的说,就是象传真一样把人在那边复制一份,然后把这边的原件销毁,就相当于把人传过去了。当然问题是像人这种有意识的复杂物体能否复制。
无限大的能量
E = mc^2/sqrt(1 - v^2/c^2)
上述公式是静止质量为m的粒子以速度v运动时所具有的能量。
很显然,速度越高能量越大。因此要使粒子加速必须要对它做功,做的功等于粒子能量的增加。
注意当v趋近于c时,能量趋于无穷大,因此以通常加速的方式使粒子达到光速是不可能的,更不用说超光速了。
但是这并没有排除以其他方式使粒子超光速的可能性。
粒子可以衰变成其他粒子,包括以光速运动的光子(光子的静止质量为零,因此虽以光速运动,其能量也可以是有限值,上述公式对光子无效)。衰变过程的细节无法用经典物理学来描述,因此我们无法否定通过衰变产生超光速粒子的可能性(?)。
另一种可能性是速度始终高于光速的粒子。既然有始终以光速运动的光子,有始终以低于光速的速度运动的粒子,为什么不会有始终以高于光速的速度运动的粒子呢?
问题是,如果在上述公式中v>c,要么能量是虚数,要么质量是虚数。假如存在这样的粒子,虚数的能量与质量有没有物理意义呢?应该如何解释它们的意义?能否推出可观测的预言?
只要找到这种粒子存在的证据,找到检测这种粒子的方法,找到使这种粒子的运动发生偏转的方法,就能实现超光速通信。
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 pair 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。
祖父悖论(因果性)
反对超光速的最好证据恐怕莫过于祖父悖论了。根据狭义相对论,在一个参考系中超光速运动的粒子在另一坐标系中有可能回到过去。因此超光速旅行和超光速通信也意味着回到过去或者向过去传送信息。如果时间旅行是可能的,你就可以回到过去杀死你自己的祖父。这是对超光速强有力的反驳。但是它不能排除这种可能性,即我们可能作有限的超光速旅行但不能回到过去。另一种可能是当我们作超光速旅行时,因果性以某种一致的方式遭到破坏。
总而言之,时间旅行和超光速旅行不完全相同但有联系。如果我们能回到过去,我们大体上也能实现超光速旅行。
快子(tachyon)
快子是理论上预言的粒子。它具有超过光速的局部速度(瞬时速度)。它的质量是虚数,但能量和动量是实数。 有人认为这种粒子无法检测(译注:那这种预言有什么意义:-)),但实际未必如此。影子和光斑的例子就说明超过光速的东西也是可以观测到的。
尚无快子存在的实验证据,绝大多数人怀疑它们的存在。有人声称在测Tritium贝塔衰变放出的中微子质量的实验中有证据表明这些中微子是快子。这很让人怀疑,但不能完全排除这种可能。
快子理论的问题,一是违反因果性,二是快子的存在使真空不稳定。后者可以在理论上避免,但那样就无法实现我们想要得超光速通信了。
实际上,大多数物理学家认为快子是场论的病态行为的表现,而公众对于快子的兴趣多是因为它们在科幻作品中出现得次数很多。
虫洞
关于全局超光速旅行的一个著名建议是利用虫洞。虫洞是弯曲时空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时空的拓扑结构。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,就能利用它在时空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。
Refs: W. G. Morris and K. S. Thorne,American Journal of Physics 56,395-412 (1988) W. G. Morris,K. S. Thorne,and U. Yurtsever,Phys. Rev. Letters 61,1446-9 (1988) Matt Visser,Physical Review D39,3182-4 (1989) see also "Black Holes and Time Warps" Kip Thorn,Norton & co. (1994) For an explanation of the multiverse see,"The Fabric of Reality" David Deutsch,Penguin Press.
曲相推进(warp drive)曲相推进是指以特定的方式让时空弯曲,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时空几何结构而知名。时空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。

相关实验

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突破光速、超越时空是不少科幻小说的主题,但爱因斯坦的相对论断言光速是任何物质在真空中的最快速度,小说家的幻想没有依据。一些欧洲科学家在实验中发现,中微子速度超过光速。如果实验结果经检验得以确认,爱因斯坦提出的经典理论相对论将受到挑战。科学界认为这项发现是在爱因斯坦的理论上“炸开一个大洞”。
快60纳秒
意大利格兰萨索国家实验室“奥佩拉”项目研究人员使用一套装置,
相关地下实验室相关地下实验室
接收730公里外欧洲核子研究中心发射的中微子束,发现中微子比光子提前60纳秒(1纳秒等于10亿分之一秒)到达,即每秒钟多“跑”6公里。“我们感到震惊。”瑞士伯尔尼大学物理学家、“奥佩拉”项目发言人安东尼奥·伊拉蒂塔托说。
英国《自然》杂志网站22日报道这一发现。研究人员定于23日向欧洲核子研究中心提交报告。
“奥佩拉”项目发言人伊拉蒂塔托说,项目组充分相信实验结果,继而公开发表结果。“我们对实验结果非常有信心。我们一遍又一遍检查测量中所有可能出错的地方,却什么也没有发现。我们想请同行们独立核查。”
这一项目使用一套复杂的电子和照相装置,位于格兰萨索国家实验室地下1400米深处。
这不是爱因斯坦的光速理论首次遭遇挑战。2007年,美国费米国家实验室研究人员取得类似实验结果,但对实验的精确性存疑。
可能撼动现代物理学基石
这一最新发现可能撼动现代物理学的基石。法国物理学家皮埃尔·比内特吕告诉法国媒体,这是“革命性”发现,一旦获得证实,“广义相对论和狭义相对论都将打上问号”。
欧洲核子研究中心物理学家埃利斯对这一结果仍心存疑虑。科学家先前研究1987a超新星发出的中微子脉冲。如果最新观测结果适用于所有中微子,这颗超新星发出的中微子应比它发出的光提前数年到达地球。然而,观测显示,这些中微子仅早到数小时。“这难以符合‘奥佩拉’项目观测结果。”埃利斯说。
美国费米实验室中微子项目专家阿尔方斯·韦伯认为,“奥佩拉”可能存在测量误差。就韦伯而言,即使实验结果获得确认,相对论“仍是优秀理论”,只不过“需要做一些扩充或修正”。意大利研究人员在实验中发现中微子超光速。
问:“超光速”如何被发现?
答:“奥佩拉”项目研究人员接收730公里外欧洲核子研究中心发射的中微子束,发现中微子比光子提前60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)到达,即每秒钟多“跑”6公里。过去两年,他们观测到超过1.6万次“超光速”现象。
问:这项实验是否意味着相对论不再成立了?
答:许多专家认为,即使实验结果获得确认,相对论“仍是优秀理论”,但“需要做一些扩充或修正”。但也有专家认为,如果真的证实这种超光速现象,其意义十分重大,整个物理学理论体系或许会因此重建。一种超光速的流体解释已经被数学物理学家提出, 按照流体力学对电磁场论的补充推导,只要把超光速部分的方程变一个符号, 存在超光速不会进入一个虚数空间。而是实实在在可以存在的双曲型物理系统。
中微子运行速度并未超过光速
3月16日,欧洲核子研究中心公布最新测量结果显示,[2]  9月“中微子振荡实验”中,中微子运行速度并未超过光速,原测量结果存在误差。
欧洲核子研究中心研究项目负责人塞尔吉奥·贝尔托卢奇通过公报向媒体证实,有证据显示,相关实验结果受到了测量误差干扰。贝尔托卢奇表示,欧洲核子研究中心将继续与意大利格兰萨索国家实验室合作,在一年5月进行新一轮“中微子振荡实验”,以期给出准确答案。
名词解释
中微子是一种极为神秘的物质,在科学界有“鬼粒子”之称。虽然中微子在宇宙广泛出现,但是极难探测得到,科学家对它所知不多,1934年才确定它的存在,直至2000年左右才确认中微子有质量。中微子从星体核聚变中产生,太阳便是其中一个产生地点。中微子是一种基本粒子,不带电,质量极小,几乎不与其他物质作用,在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子,每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。
相对论
相对论,爱因斯坦的经典理论,是现代物理学基础理论之一,认为任何物质在真空中的速度无法超过光速。除非粒子不携带信息。

不变论

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原理

真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。光速不变原理,在狭义相对论中,指的是无论在何种惯性系(惯性参照系)中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299,792,458 米/秒。

事实

证明光速不变的四项事实。
(1) 恒星光行差。
(2) 恒星都是一个一个的小圆点。
(3) 恒星都静止。
(4) 太阳光迈克尔逊·莫雷实验。

证明方法

任意恒星光行差都长期保持不变,证明:光行差不随时间变化,所以光速也不随时间变化。所有恒星的光行差都为20.5″角距,证明:所有恒星的光速都相同。
《系统分析恒星光行差》中已经详细论证了“光速不变”,所以不再重复。
恒星都是一个一个的小圆点,证明:任意一个恒星的所有的光线的光速都相同,即没有不同光速的光线。
因为没有任何光速‘变化’的现象,所以只有采用‘反证法’。
设:某恒星发来两种光速的光线;光速为c的光线,用c表示;光速为C的光线,用C表示;光速c>C
因为c和C都是连续的,所以观测者能够同时接收到c和C;但观测者同时接收到的c和C,必然不是同时从恒星发出的。
因此设:c发出的时刻为零;C发出的时刻为t;恒星零时刻的位置为A;t时刻的位置为B;因恒星周日视运动角速度ω=15.0411″/秒,所以A、B之间的角距φ=ωt
再设:φ=10′(太阳直径的1/3);恒星距离L=30光年。
则:t=φ/ω=10×60÷15.0411≈40(秒)
c传播的时间T1=L/c=30(年)≈86400×365=946080000(秒)
C传播的时间T2=L/C
据题意知:T2=T1+t=L/c+t=946080000+40=946080040(秒)
所以:C=L/T2=946080000c/946080040≈0.9999999577c≈299999.987(公里/秒)
即:如果φ=10′,则c-C=300000-299999.987=0.013(公里/秒)=13(米/秒)
也就是说:如果两条光线的光速差为13米/秒,则这颗距离为30光年的恒星,就同时在角距为10′的A和B两个位置上。
光速连续比间断变化的可能性大得多,如果恒星光速是在C和c的范围内连续变化的,则看起来,该恒星应该是:长度为10′角距的线段。
因为从未看到过:恒星具有多个位置和任何拉长的现象,所以结论正确。
恒星都静止,证明:所有恒星的光速都不随时间变化,都始终恒为常数c不变。这是因为如果光速不断变化,则看起来恒星必然是运动的。证明方法与上述类似,不再重复。
太阳光迈克尔逊·莫雷实验证明:太阳光的光速不变。
迈克尔逊·莫雷实验的依据是:光速=波长×频率
光波长和频率都是根据光干涉条纹确定的。根据‘杨氏双缝干涉实验’干涉条纹之间的间距,能够独立推算出‘光波长’,自然可确定‘光频率’。
这样推算确定的光波长和频率的乘积为常数,即不同颜色光的波长和频率的乘积相等;而且乘积数值等于检测的‘光速值’;从而充分证明:‘光速=波长×频率’成立。
迈克尔逊和莫雷通过长期多次分别检测,来自不同方向的阳光的光速,充分证明:阳光的光速不变。
论动体的电动力学片段
“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的,这两条原理我们定义如下:[2] 
1. 物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系。
2. 任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度V运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”
“对于大于光速的速度,我们的讨论就变得毫无疑义了;在以后的讨论中,我们会发现,光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色。”
“由此,当υ=V时,W就变成无限大。正像我们以前的结果一样,超光速的速度没有存在的可能。”

其他

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1981年,物理学家尼克·赫尔伯特(Nick Herbert)利用量子力学的特
效果图效果图
殊性质设计了一个超光速通讯系统。对它纠错的过程推进了我们对量子世界的全新理解。
赫尔伯特的系统叫做FLASH(闪电),是“first laser-amplified superluminal hookup”(第一台激光放大超光速传输器)的首字母缩写,它使用了一个向相反方向成对释放光子的光子源。这个计划利用了光子的偏振特性,即沿着它们所处的电场方向振动。当它们所处的电场沿水平方向(H)或是垂直方向(V)振动时,光子可能发生平面偏振;如果电场沿右螺旋(R)或左螺旋(L)方向振动,光子则可能发生圆偏振。
物理学家很早就知道,这两种偏振方式(平面或者圆)之间是密切相关的。平面偏振光可以用来产生圆偏振光,反之亦然。例如,一束水平偏振光由等量的右旋偏振光和左旋偏振光(L)以特殊的方式组成,同理一束右旋偏振光可以被分解为等量的水平偏振光和垂直偏振光。这对于单个的光子也成立:例如,一个右旋偏振的光子的状态可以被分解为水平偏振和垂直偏振的特殊复合。如果对一个右旋状态的光子测量平面偏振而不是圆偏振,则发现水平偏振状态或垂直偏振状态的概率是相等的,这就是单粒子版本的薛定谔的猫。
在赫尔伯特的假想实验中,一名物理学家爱丽丝(想象出来的“观测者A”)可以选择测量在她面前经过的光子的平面偏振或圆偏振特性。如果她选择测量平面偏振,她将有相等的概率观测到水平或垂直偏振。如果她选择测量圆偏振,她就有相等的概率得到右旋或左旋偏振。
另外,爱丽丝知道光子源的性质决定了对于她测量的每个光子,有另一个与之纠缠的光子正奔向她的同伴鲍勃。量子纠缠意味着两个光子表现得就像一枚硬币的两面:如果一个被测出处于右旋偏振状态,另一个则必然是左旋偏振;或者如果一个被测出处于水平偏振状态,另一个一定是垂直偏振。根据贝尔定理,光子源使得爱丽丝对偏振性质(平面或圆)测量的选择将立即影响到另一颗光子,也就是向鲍勃的方向移动的光子。如果她选择测量平面偏振并碰巧观测结果为水平偏振状态,那么飞向鲍勃的与之纠缠的光子将立即进入垂直偏振状态。如果她选择了测量圆偏振并且结果为右旋偏振,那么纠缠的光子会立即进入左旋偏振状态。
是赫尔伯特大显身手的时候了。第二颗光子在到达鲍勃的探测器前,先进入一个激光增益管。那时激光的使用已经有二十年了,激光器产生的激光和输入信号具有一致的偏振特性,就像教科书里的老生常谈一样。也就是说,激光器会产生一束性质和爱丽丝发现的任何状态互补的的光子。那么鲍勃就可以分离这束激光,把一半输往一个测量平面极化性质的探测器,另一半输往一个测量圆极化性质的探测器。
如果爱丽丝选择了测量圆偏振并正好发现了左旋偏振,那么飞向鲍勃的光子将在进入激光增益管前立即进入右旋偏振状态。激光器将向鲍勃发射一束右旋偏振光子,他接下来要把一半发往平面偏振探测器,另一半发往圆偏振探测器。赫尔伯特推断,在这种情况下,鲍勃会发现一半光子处于右旋偏振状态,没有一个是左旋的,水平偏振和垂直偏振的各占四分之一。一瞬间,鲍勃就可以知道爱丽丝选择了测量圆偏振。爱丽丝的选择——平面或圆偏振——可以起到像莫尔斯电码的点和划一样的作用。只要通过改变对偏振类型测量的选择,她就能向鲍勃发送信号。鲍勃可以用比在他们间传递的光更快的速度破解爱丽丝发送的每一段密码。
就像GianCarlo Ghiradi,Tullio Weber,WojciechZurek,Bill Wootters和Dennis Dieks分别指出的那样,赫尔伯特的装置实际上并不能实现超光速通信。例如,一颗右旋偏振的光子是以等量的水平偏振和垂直偏振状态复合存在的。每一种隐藏的状态都会被激光器放大,因此输出信号将是两个状态的叠加:一半里所有的光子都是水平偏振,另一半中所有的光子都是垂直偏振,每种状态出现的概率都是50%。鲍勃永远不可能同时发现半是水平偏振半是垂直偏振的状态,就像物理学家永远不可能在打开盒子的时候发现薛定谔的猫半死半活。因此,鲍勃只会收到一个噪音信号,不管爱丽丝那边做出什么选择。在每一个时刻,鲍勃的探测器会显示水平和右旋,垂直和左旋或者水平和右旋,等等,都是随机的组合。他永远不会得到水平、垂直和右旋的组合,因此他无法得知爱丽丝想给他传递什么信息。毕竟量子纠缠和相关性是可以同时存在的。
这个发现随即被称为“量子不可克隆定理”:一个随机或者未知的量子状态不可能在初始状态不受干扰的情况下被复制。这是作为量子理论基石的一个强有力的命题,在尼克·赫尔伯特和他的天才反对者开始猫捉老鼠的游戏前,没有人意识到这个量子理论的基本特性。量子力学给所有人的能力设置了界限,包括可能的窃听者,使他们无法捕捉并复制单独的量子粒子,这个事实立即成为了量子加密术的理论基础,在今天它已成为欣欣向荣的量子信息科学领域的核心。
超光速运动的粒子,是普遍存在的。
  更详细的论述在《天体运动中介质的阻力和推力与超光速运动的粒子》论文中:
  “微观粒子的运动则不受介质的影响,除非粒子和介质发生碰撞。粒子的运动速率完全可以接近光速或者超过光速。对宇宙射线中的高速高能微观粒子,没法直接观测它们的运动轨迹,因为粒子不是可以直接持续观测的光源。但可以用两种方法测量粒子的运动速率。第一种方法需要测量粒子产生位置的海拔高度和运动后到达位置的海拔高度并计算出它们运动走过的距离d,还需要知道它们的生存寿命即持续时间τ。按照速率定义有“速率=距离/时间”:v=d/τ,可以得到粒子速率。科学家发现宇宙射线中的质子撞击地球大气层时会产生π介子,部分π介子会进一步变成μ-子和中微子,μ-子是在约h1=10000米高空产生的[2], 科学家也在海拔高度约4000米的地表发现了μ-子,即10000米高空处产生的μ-子能到达h2=4000米高度的地表。已经知道μ-子的平均寿命为τ=2×10-6秒。有v=d/τ=(h1-h2)/τ=3×109米/秒,μ-子的速率为光速的10倍。 第二种方法需要测量粒子的动能E和质量m,根据E=mv2/2的动能公式,有v=(2E/m)1/2。物理学家测量到μ-子的质量是电子质量的207倍,有m=1.89×10-28千克,他们也测量到高空μ-子的能量为E=5×109电子伏即8×10-10焦耳。有v=(2E/m)1/2=3×109米/秒。这个结果和第一种方法计算得到的μ-子的速率一致。 所以宇宙射线中的μ-子是超光速运动的粒子。超光速运动的质子在撞击地球大气层时产生超光速运动的π介子,这些π介子中有部分变成超光速运动的μ-子。
  如果用加速器对质子进行加速使之近光速运动不能有同样的效果。
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