超光速：幻想还是现实，本文主要内容关键词为：光速论文,现实论文,幻想论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在历史上，曾有两位科学家赋予真空中光速c以特殊的物理意义：一位是麦克斯韦，他通过计算发现电磁波的传播速度与当时的光速测量值接近，因而判定光是电磁波的一种；另一位就是爱因斯坦，他将“光速不变性”作为相对论的基础之一，并从相对论的“运动质量—速度公式”推论出光速是宇宙间速度的极限。
最早对光速进行测量的是丹麦天文学家罗麦，他于1676年根据对木卫一的观测得出光速是每秒214000公里，大约比真实值低30%。在此以后，人们用20多种方法对光速进行了测量。当代最精确的光速测量是1972年由美国国家标准局进行的，国际计量局于1983年将每秒299792458米规定为真空中光速指定值，而1米被定义为“平面电磁波在真空中于299792458分之1秒内走过的距离”。1983年以后，国际上已不再测量光速了。
实际上，自从相对论诞生之日起，关于超光速问题的争论就没有停止过，而作为现代科学技术两大基础的相对论与量子力学之间的矛盾，更给这一争论赋予了非同寻常的意义。因为量子力学的理论体系并不排除超光速，而如何弥补这两大理论的裂痕将是21世纪的科学家们必须面对的世纪难题。
时空弯曲与曲相推进：
1994年，阿尔库别雷提出一种能实现曲相推进(warp drive)的时空几何结构，以特定的方式让时空弯曲，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。不过曲相推进需要具有负能量密度的怪异物质，而且即使这种物质存在，目前也不清楚具体应如何布置这些物质来实现曲相推进。
目前，科学家已经推出了许多理论试图突破光速，20世纪90年代，一些科学家还进行了“超光速”（Faster Than Light或Superluminal）的实验研究。现在已知的超光速实验已有9个，其中5个给出了超光速数据。下面将向读者介绍这一迷人领域的研究现状。
时空弯曲和“虫洞”都可在理论上形成超光速
难以琢磨的“虫洞”与“快子”
根据广义相对论的时空理论，宇宙空间并不是平直的，会因为引力的存在而发生弯曲，而且质量越大弯曲越厉害。1994年，研究相对论的学者索恩宣布，他从数学上证明了以超光速做“空间弯曲方式”的航行的可能性。正是由于空间的弯曲、变形产生了特殊的速度。不过，更多的科学家则把希望寄托在所谓的“虫洞效应”上。
当空间存在密度极大的物体，如黑洞时，时空将发生剧烈的弯曲，最终在两个空间点之间“钻”一个“虫洞”，有人提出可以通过这个宇宙“洞穴”在瞬间跨越以光年计的距离而实现超光速旅行。因此，科幻作家已急急忙忙地把通讯信号、物体，甚至人送入虫孔，去做时空旅行。虫洞是1915年一位德国学者根据广义相对论而提出的，但它只能以微量子形成存在，物理学法则不允许大型虫洞的形成。也有科学家解释说，虫洞是由强引力场宇宙结构产生的裂缝，大小约为原子尺寸的十亿分之一，它非常小而且只在极短的瞬间存在。1995年，有一位英国科学家在星际推进协会(IPS)报告说，太空旅行者可以从某点进入虫洞，再从成百上千光年的另一点出来。通过虫洞进行星际旅行将快于普通光速，但尺寸太小是一个问题。
利用虫洞做超光速旅行
虫洞是弯曲时空中连接两个地点的捷径，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，索恩(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。霍金认为虫洞是不稳定的，因而是无用的。但虫洞对于思想实验是有用的，可以用来澄清在已知的和建议的物理定律之下，什么是可能和不可能的。
从理论上讲，只有负能量可以打开及扩大虫洞，并稳定其结构。2000年4月，俄罗斯研究相对论的学者卡斯尼科夫提出，大型虫洞是可能的，其特点是能自行制造维持虫洞所需的怪异物质。“如果地球附近有一条虫洞与织女星相连，那么人就可以到那里去。”他认为，在宇宙大爆炸之后即有虫洞存在。
还有一种理论说虫洞是黑洞与白洞的通道。但不管怎样，在探讨超光速旅行的可能性时，虫洞理论无疑是非常引人入胜的。
理论上预言的快子：
快子是理论上预言的粒子，在科幻作品中出现得次数很多。它具有超过光速的局部速度（瞬时速度），质量是虚数，但能量和动量是实数。目前尚无快子存在的实验证据，绝大多数人怀疑它们的存在。如果快子真的存在，那将违反因果律，并使真空不稳定。后者可以在理论上避免，但那样就无法实现我们想要的超光速通信了。
1897年，英国物理学家汤姆孙发现了电子。它是人类认识的第一个基本粒子。20世纪初出现了研究电子的热潮，进而发现运动速度越大电子质量越大。为了解释这个现象，在1904年以前人们就提出了好几个质量与速度的关系式，但只有荷兰物理学家洛伦兹提出的公式
被公认和接受了。在这个公式中m[,0]是粒子的静质量，v是粒子的速度。
后来，爱因斯坦用狭义相对论推导出了相同的公式，因此，该关系式就称为洛伦兹—爱因斯坦公式。以后，对电子、质子的实验进一步证实了上式的正确性。根据狭义相对论的质能关系式
因此，当速度v趋近于光速c时，质量m和E能量就趋近于无限大，这在物理上是没有意义的。那么，v大于c是否可能呢？这时m、E都是虚数，同样没有意义。
20世纪60年代，美国物理学家比兰纽克、苏达山和范伯格提出了所谓“快子”（tachyon，即比光还快的粒子）的概念。这种粒子的静质量为虚数，且速度不可能低于光速，这时质量和能量仍然是实数。随后，两位瑞典科学家使用各种方法进行了实验，但没有发现“快子”的踪迹。但是，苏达山在1998年发表意见说“有必要继续寻找快子”，他相信总有一天会找到。此外，快子在“超弦理论”中不断出现，这也使他继续抱有期望。
1974年，物理学家克莱和科劳曾报道说，在广延大气簇射的观察中，当簇射粒子群到达地面前实验装置记录到了信号，他们认为这是快子造成的。但后来这一实验结果没有得到普遍的认同。以后，寻找“快子”的努力归于沉寂。
现在我们要问，假如快子真的被发现，它的性质会是怎样呢？首先，当增加能量时它会减速，减少能量时它会加速——这和目前已知的一般的粒子正好相反。其次，一个快子可做两件不同的事而被在不同地点的两人所看到——例如甲看见有一个快子从枪口出来，乙会看见该快子正进入那个枪口。快子的性质实在令人觉得怪诞而不可思议。
量子力学：为超光速带来新希望
光子赛跑实验：
这是用一个利用量子隧道效应进行的超光速实验。首先通过用激光照射降频晶体，产生光子对，然后让两路光子走不同的路径，其中一路设置了充当位垒的滤光器，并通过仪器测量光子通过不同路径所走过的时间。结果得出光子穿过位垒时的速度是光速的1.7倍。
微波喇叭产生超光速：
利用两个中心线稍微偏移的微波喇叭，意大利的研究人员做了微波的发射和接收实验。结果发现微波可以以两倍光速的速度运动。
20世纪90年代，由于对电磁理论（导波理论）和量子力学中的消失波的深入研究。超光速问题再次成为热点。
隧道效应是一种无法用经典物理学理解的奇特现象
在蒲松龄的《聊斋志异》中，有一个讲述“崂山道士”能穿墙而过的故事。当然，这在现实的宏观世界中纯属幻想，但在微观世界中，穿墙而过的事的确是存在的，而且无时无刻都在发生。在经典的物理理论中，一个粒子不可能穿过一个比它能量高的势垒。我们可以形象地将这个势垒比做一堵“墙”。但按照量子力学的理论，粒子是用一个几率波来表示的。当粒子向一堵墙入射时，这个波有一部分被反射，而另一部分则可以穿墙而过。这样，粒子就有一定几率从这堵墙穿过去，这就是量子隧道效应。这种效应的程度由一个称为“透射系数”的参数所决定，当然它是比较小的。
由于透射系数很小，宏观条件下是难以观察到量子隧穿现象的。20年代，物理学家伽莫夫用量子隧道效应解释了放射性元素的α衰变，结果很成功。微观粒子具有这种能力是很奇怪的，是经典物理解释不了的。伽莫夫在他的名著《物理世界奇遇记》中形象地比喻说，这好像明明锁在车库里的汽车自己穿越出来，实在令人惊愕。
量子隧道效应已有多方面的应用，如江崎二级管、超导隧道结、扫描隧道电镜等都曾获诺贝尔物理奖。20世纪90年代初，这一原理开始用在超光速实验研究上。美国伯克利加州大学赵雷蒙(Ramond Chiao)曾进行过一次所谓的“光子赛跑”实验，结果发现穿过势垒的光子的速度是真空中光速的1.7倍。1994年，维也纳理工大学的一个研究组报告了使用极短的12飞秒（1飞秒＝10[-15]秒）激光脉冲所做的光子赛跑实验，也得到超光速结果，并发现势垒厚度增加时隧穿时间增加，但最终达到饱和后隧穿时间与势垒厚度无关。
王力军实验和波传播的布里渊图：王力军等人在近期所做的实验，是将一束激光脉冲通过一个经特殊处理的铯气室。结果发现，铯气室是一种反常介质，激光脉冲在通过它时的群速度是负值，而且比真空中的光速快。这个结果可用1914年布里渊得到一条显示波的群速度与其频率关系的曲线来解释。从这条曲线可以发现，当群速度为负值时，存在一个超光速区，即其绝对值可以超过光速。
有趣的是，笔者在1985年研究微波理论时发现，如果用量子隧道效应来分析导波问题，也出现了奇特的现象，即微波穿过波导禁区（截止区）时，可能呈现“超光速微波”的问题。20世纪90年代，欧洲的研究人员进行了实验，确认了微波可有隧道效应的性质，可以有比真空中光速更高的速度运动。德国科隆大学的尼米兹还在实验中得了4.7c和4.34c的数据，意大利电磁波研究院改用两个微波喇叭相对，得到了2倍光速的数据。
当电磁波通过某种介质时，如果是非色散介质，就没有相速v[,p]、群速v[,g]的分别；如果是色散介质，相速与群速就不相等。在正常色散时，群速比相速小；在反常色散时，群速比相速大。定义折射率n=c/v[,p]，群速折射指数为n[,g]=c/v[,g]，那么可以证明：n[,g]近似等于n+fdn/df。这里f是电磁波频率。当dn/df＜0时，出现反常色散区，可以造成n[,g]＜0，故得到负群速。
关于负群速的意义，早在1914年，法国物理学家布里渊就做出了解释。他求解索莫菲积分方程后得到一个曲线图，从中可以看出，如果群速为负值，则其绝对值就可以大于光速。最近，王力军所做的超光速实验就是在这一研究领域的重要进展。关于王力军的实验目前还有争议，但笔者认为该实验的确观察到了超光速现象，并证明了布里渊的预言。
王力军小组所做的“超光速实验”巧妙地将宏观的物理现象（反常色散）与量子光学方法结合在了一起。它的核心是一个用内壁敷石蜡的特种玻璃制成铯蒸气室，它在1高斯的均匀磁场和两束激光的作用下，以维持铯原子基态自旋极化。实验中，王力军向铯蒸气室发射激光脉冲，结果发现反常色散现象，并测出在气室中通过的光脉冲比真空中的光脉冲要快。然而，王力军说他的实验与相对论、因果律均无矛盾，则难以令人信服。
弥补两大理论的裂痕：新世纪的科学曙光
联合国教科文组织发表的《1998年世界科学报告》中有一段话说：“爱因斯坦的理论（相对论）和量子力学是20世纪的两大学术成就。遗憾的是，这两个理论迄今为止被证明是互相对立的。这是一个严重的障碍。”两种科学思想的分歧竟写入了联合国的文件，是很少见的。这里并不是指爱因斯坦和正统量子力学学派代表玻尔在20世纪30年代的著名的论战，而是指两大思想体系直到20世纪末仍然不能协调。
很遗憾，这个问题不得不留给21世纪。对于上述两大思想体系的矛盾，著名物理学家吴大猷是这样分析的：“爱因斯坦早年创立了划时代的新物理观——相对论时空理论、电磁场的量子化，但中年却回到了经典物理观念的怀抱，这是他哲学观点改变所致。”
有专家将量子力学中的“非局域性”概括为三个主要表现或特征：一是不成形性，即不认为物质粒子的质量、能量全部（或大部）局限于一个小范围；二是超光速性，即允许信号传播速度超过光速；三是相关性，即空间分离的事件可关联。据此，有时把“超光速”作为非局域性的一种狭义表述。量子力学中的非局域性，无论在哲学上、物理上均与相对论不相容。
20世纪20年代量子力学成型之后，爱因斯坦持有很大的保留。1935年他和波多耳斯基、罗逊三人合写的一篇论文被后人称为“EPR思维”，它考察的是由两个子系统A、B组成的力学系统，结论是“量子力学不完备”。60年代中期，欧洲核子研究中心的贝尔发表两篇论文，提出了一个与量子力学相容的隐变量模型，认为“任何局域变量理论均不能重视量子力学全部统计性预言”，提出了两粒子分别沿空间不同方向做自旋投影时一些相关函数之间应满足的不等式（贝尔不等式）。1986年前，有15例实验发表，只有2例满足不等式（因而不符合量子力学）。所以多数物理学家认为这实际上反映相对论与量子力学不可协调的EPR思维不对，相对论要修改。上述实验坚定了贝尔对量子力学的信念。他在1990年去世前说过“量子力学不会错”，表示他“不赞同爱因斯坦的世界观”。他还认为“EPR中有比光快的东西”。
著名物理学家玻姆在1992年去世前一方面排除“用超光速传递信息”的可能性，但又说：“尽管人们做现有类型的实验时相对论都有效，但从深层次看就会发现有超光速的东西。”
至于相对论与量子论之间的关系，过去它们也有很成功的结合运用的例子。例如，量子电动力学就综合了相对论的时空结构和量子理论的能量结构。但是，量子力学非局域性却与相对论不相容，而超光速研究亦在无意中加大了两大理论体系之间的裂痕。
绘图／王雪