超光速运动的过去、现在和未来

自然杂志23卷6期 专题综述 超光速运动的过去、现在和未来 艾小白 博士，研究员，中国科学院上海原子核研究所，上海201800 关键词 量子远程通信狭义相对论超光速德布罗意波波粒二象性相速度 本文论述了人类研究超光速运动的历程及存在的有关问题；指出了考虑虚数“i，’作用的情况下。狭义相对论原有 的框架内已包含了超光速运动的理论，而闵可夫斯基时空性质更深刻地揭示了超光速运动与时空的若干特点且不违 反因果律；猜测量子远程通信的物理本质与德布罗意波这种超光速运动有联系。建议设计实验测量德布罗意波的相 速度并深入研究波粒二象性这块物理学中尚未完全开垦的处女地． 2000年，一项有我国留美学生王力军参加的实验表 明，在原子cs气体中能形成具有很大负群速度折射率 的无损耗的线性反常色散区，光脉冲信号可保形通过该 反常色散区，并显示出超光速的现象uJ．该工作未正式 发表时，我国某些大学师生已从因特网和新闻媒体上获 此“轰动”消息，并形成了一股研究超光速的热潮．在这 之前不久，对量子力学中的纠缠态即对两个(或多个)粒 子的非定域的长程量子关联的研究也取得了惊人的进 展．1997年，我国在奥地利的留学生潘建伟参加的工作 中[2]2实现了1993年Bennett等人提出的利用纠缠态来远 程传送一个量子态信息(quantumteleportation)的方 案[3-4]，引起国际科学界的高度重视，它作为英国《自 然》杂志在20世纪发表的具有里程碑性质的2l篇 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 之一被收入《物理学百年纪念文集》．量子远程通信又称 为量子隐形传态j单就量子态的传送而言，它被认为具 有三个特点：①传送是瞬时的；②传送是无法阻断的；③ 无需预知传送的目的地在何处．因此也被学者们称为 “是一种超空间性质的传送”Mj．最近几年关于量子态的 远程传送研究取得了不少新进展[6-8]．1998年Tittel[9J等 人实现了Flanson在1989年提出的构想L10J，实验证实双 光子的纠缠态关联可以维持到10krn的距离．这种非定 域性的相互作用曾被爱因斯坦称为“超距离的幽灵般的 作用”(spookyactionatadistance)InJ．了解了上述量子力 学新进展的实验细节，人们必然会提出如下问题：①如 乙地不测量，甲地的量子态信息是否已传到乙地?②甲 地如不通过经典通道将实测结果告知乙地，乙地是否就 无法 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 出已传递来的量子态信息?目前无办法?还 是永远无办法?③量子力学中的非定域长程关联到底 是不是瞬时作用的?量子态信息从甲地传到乙地到底 是不是瞬时的?如不是，传递的速度有多快?是否是超 光速的?④如果量子力学中的非定域长程关联是超光 速的现象，这种超空间性质的信息联系(传送)对狭义相 对论是否是一种挑战?⑤量子力学中非定域长程关联 这种超空间关联的物理本质是什么?实践是检验真理 的惟一标准．显然，以上问题都涉及到自然界是否存在 超光速运动这一问题．本文将讨论如果自然界存在超光 速的运动究竟是否会动摇狭义相对论以及其他若干相 关的问题． 在狭义相对论诞生之前，‰蚰e疵Id【12J， HeavisideLl3J和Thomosonu4J就关注过物质超光速运动的 问题．但是狭义相对论的奠基人爱因斯坦在他的“论动 体的电动力学”中指出：“超光速的速度⋯⋯没有存在的 可能”．狭义相对论诞生后的几十年中粒子物理学、原子 核物理学，加速器物理学及一些特别设计的实验都验证 了它对类点粒子动力学的许多理论预言的正确性，成绩 是伟大的，但它是一切自然规律都必须服从的普遍原 则，还是一个仅仅关于时空的理论?此问题一直存在争 议．另外由于许多基本概念方面的问题和涉及广延体的 相对论动力学方面的问题未解决好，96年以来人们的疑 虑不断．早在量子力学的研究取得新进展前，围绕狭义 相对论理论中的因子~／1一V2Ic2能不能取虚数值的问 题，不少人就对“通常物体的运动速度不能超过光速”的 狭义相对论的“经典”结论开始怀疑了，于是“自然界是 否存在超光速的信息联系?是否存在超光速的物质运 动?”便成了外国及我国不少专业的、业余的物理学家一 直以极大的兴趣关注和探索的问题之一． 一l、20世纪60年代后超光速问题的研 ， 究概况 自然界不可能存在超光速的物体运动是从狭义相 ·311· 万方数据 专题综述 Z／ranZazh／V01．23No．6 对论的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 中因子~／1一秽2／c2“不应当”取虚数值而得到 的推论．1960年日本东京教育大学的ShoTanaka写了世 界上第一篇讨论超光速物质量子场论的文章【15J15，不过并 未立即引起人们的注意．1962年美国罗彻斯特大学的 Bilaniuk发表文章【in]，认为超光速运动同狭义相对论是 相容的，并试图在狭义相对论的基础上建立超光速理 论．接着美国洛克菲勒大学的Feinberg在1967年指出狭 义相对论不禁止那些一产出就以超光速运动的粒子存 在，并起名为快子[17](人们则把亚光速运动的粒子称为 慢子)，这才引出了以后的30多年中关于超光速粒子的 理论与实验研究及天文观察．国外的代表人物还有 mDns[1引。Dhar[19]，Alvagert∞J，Sudarshan[211，Anfippa[复1， Recami和 Mignani[23]，B曲dl】k=wal一24j，Kamoi和 Kamefuchi[25]，S垃and和Kodre[26]，Perepelitsa[zT]，KiD“勰j， ClayCZ93，Cohen[301，Vigier[31]，d’Espagnat[列和Chodos[33】等 人．其中Recami和Mignani在“经典快子理论”一文中就 引用了127篇有关的研究工作．我国的研究者先后有蒋 春暄[圳、李启恩[35]、葛旭初[36]、张操[37-38】、曹盛 林[39‘4l|、谭署生【423、黄政新[43]及黄志洵【44】等人．重庆 大学和重庆建筑工程学院在1973～1977年还出版了五 集《新物理探讨》介绍及研究超光速物质运动问题．20世 纪80年代后，这方面的研究逐渐冷落下来．原因有两 点：①理论上遇到难以克服的困难，虽然引入了令人难 以信服的各种假设，但并未能建立令人满意的快子量子 场论[25,33】．诸如超光速理论是否与狭义相对论相容，快 子存在是否违反因果律，满足“二次说明原理”的s矩阵 能否与么正性统一都是未取得共识的问题．②除Chodos 等人与张操猜测中微子可能就是快子外L33翔J，实验上没 有找到确凿的快子或其他超光速现象存在的例证．20世 纪90年代后，人们对超光速问题的研究主要是围绕光 脉冲的超光速现象展开的【45-50]，另外也有人提出了引 力的传播速度至少要大于2×10坶倍真空中光速的理 论[51|．王力军等人的实验就是[45—50]中的研究的继承 与发展，不过他们在[1]中声称所观察到的超光速现象 与因果律不矛盾，是光脉冲中的不同频率成分在反常色 散区直接相干的结果．所以，实际上我们至今还无确凿 的理论和例证敲定自然界是否存在超光速运动的问题． 然而，有一点可以肯定：以上学者均以自己的辛勤研究 参与了书写人类探索物质超光速运动的历史． 二、狭义相对论面临新的三大考验 我们都知道：先将自己的眼睛闭上，几秒后再将眼 ·312· 睛睁开，人们会发现周围的自然界的规律并没有发生什 么大变化；而且在一年的365天中人们可以天天检验，除 日出、日落，春、夏、秋、冬的周期变化外，不会发现自然 规律本身有什么变化．这个结果是很有意义的，实际上 它是对狭义相对论的正确性的有力证明．为什么这样 说?因为地球的公转轨道是椭圆轨道，地球每时每刻的 轨道速度都不同于前一时刻．人们在地球上不同时间做 了重复性很好的“实验”，就已经证明了在不同的惯性系 中所涉及的物理学(自然)规律没有变化．换句话说，就 是“一切惯性系是等价的”或者说“物理学(自然)规律是 客观的，与观察者无关”．考虑到真空介电常数和真空导 磁率的乘积在数值上等于真空中光速的平方，即C2= ￡o卢o，狭义相对论的第二假设“光速不变”不过指明了 “真空的存在是客观的，与观察者无关”这一物理学(自 然)规律的一个特例．由此可见，狭义相对论的两条原理 其实不是“假设”，而是有坚实基础的实验总结，人们每 天都在不自觉地证明其正确性，只不过熟视无睹罢了． 目前狭义相对论又面临新的三大考验：①存在2．7。K宇 宙背景辐射是否意味着存在绝对坐标系?②精细结构 常数(a=e02／ch)的数值不恒等于质心系中的数值1／137， 在高动量转移下会增大到11128，这件事是否与狭义相 对论曾证明的“电子电荷eo是相对论不变量”的论断矛 盾?③量子力学的最新成就很可能意味着自然界存在 超光速的信息联系，那么是否与狭义相对论的定域论矛 盾?上述三大考验中最严峻的考验是自然界是否存在 超光速的信息联系的问题． 狭义相对论与超光速运动 “光速不变”在构造四维时空间隔s2=髫2+Y2+ 名2一c2t2时起了大作用，因此爱因斯坦本人及绝大多数 后人都认为第二假设在强调一种物理学中的限制—— 光速是自然界中的最大信号传递速度，狭义相对论是定 域场理论，受因果律的限制，超光速的物质运动是不允 许的．本文作者仔细研究过狭义相对论的两个基本假设 在建立洛伦兹变换中的作用[52J：仅应用狭义相对性原理 可以得到一个含待定参数卢的类似的洛伦兹变换式，而 ．．．j【．．．．．．．．．一 因子√l一俨中的』9必须用第二假设或另一个等价的假 设才能定出其值．既然第二假设的作用之一是用它来决 定理论中的待定参数，这就从一个侧面显示：与其说狭 义相对论的第二假设在强调一种物理学中的限制，不如 说它在表述一种特殊的物理状态更为适当些．从上述的 眼睁、眼闭的实验中人们可以意识到：①相对性原理的 万方数据 自然杂志23卷6期 专题综述 正确性是客观存在，人类能否将其正确地表达出来贝q是 另一回事；②一切物理学规律，无论宏观的、微观的、精 确的、近似的、已发现的、待发现的都必然地要符合相对 性原理．因此，如果狭义相对论已准确地反映了相对性 原理，即使我们在地球这个大实验室中发现了超光速现 象，理应不必增加任何新的假设，也能够在狭义相对论 的框架内建立超光速理论．当然，以下两个问题需要首 先解决： 问题1因子~／1一萨可不可以取虚数值? 在狭义相对论中讨论闵可夫斯基时空时就讨论过 超光速运动的问题．我们知道四维时空间隔s2为 s2=茗2+Y2+z2一c2f2． 它具有这样的性质，即类空(超光速)空间 s2=舅2+Y2+户一c2t2)10， 类时(亚光速)空间 s2=茗2+Y2+：2一c2t2<0， 光锥(光速)空间 52=戈2+Y2+z2一c2t2=0(1) 对洛伦兹变换都保持不变性． 从闵可夫斯基时空的上述特点出发，人们还可以发 现，不需要增加任何新的假设，在狭义相对论原有的框 架内，就能直接得到如下四个推论： (1)对洛伦兹变换而言，一个粒子将保持出生时的 性质．即对一个运动客体(比如粒子)而言，不可能通过 洛伦兹变换(指仅用加速或减速的方法)将其从一种空 间变换到另一种空间．换句话说，对一产出是口c的快子，不可能通过洛伦兹变换(不可能通过减 速运动)使其变到光速或亚光速运动．总之，一个单独的 粒子的类型(不涉及正反粒子湮灭和与其他种类的与物 质的相互作用)不可能通过洛伦兹变换改变；快子区、慢 子区、光子区之间不可能通过洛伦兹变换过度，仅用对 慢子加速和对快子减速的办法是不能越过光障的． (2)由于(1)，即由光子的t，=c性质不能改变必然 推论：自然界不存在光速惯性系；由快子的t，>c性质不 能改变必然推论：自然界不存在超光速的惯性系．因此， 惯性系之间的相对运动速度不可能达到或超过光速，人 们只能在亚光速惯性系中来讨论光速或超光速运动问 题．前文对类空空间及光锥上的四维时空间隔s2的性质 的表达式其实就是在亚光速惯性系中书写的． (3)我们已知对慢子，m3>0，四动量是类时矢量； 对光子，稿=0，四动量是类光矢量．在相对论力学中联 系物体的能量E、动量P和静止质量m。的公式为 E2=p2c2+mjc4． 实际上此公式是普适的，因为从数学的逻辑来说，对上 式中的物理量的大与小，正与负，实与虚并未给出任何 必需的限制．因此若mj<0即‰为纯虚数，四动量成 类空矢量，可对应快子．如果将快子的“静止质量”m。记 为im‘，那么它的能量与动量仍具有可测量的实数值 肚学，IpI-劳， √7—1 √≯一1 与文献[16一17卜一致．将前面的推论代入公式，经演算可 得如下推论： (4)引进i=门，用7替代因子~／1一v2／c2而不 问y取实数值还是虚数值，狭义相对论中的原有公式无 任何变化；对超光速运动，速度合成定理仍然成立．人们 可以证明在某一亚光速惯性系A中若观察某种超光速 运动现象，则在另一与惯性系A相对运动的亚光速惯性 系曰中观察到的运动仍是超光速的，即将超光速速度和 亚光速惯性系的速度合成后，超光速运动仍为超光速 运动． 问题2若自然界存在超光速的物质运动，因果律 是否会因之遭到破坏? 在讨论这个问题时，人们通常引用爱因斯坦的意 见【53】．应用洛伦兹变换可得 t2一tl：竺羔擘璺型，㈤一 =—————————7====i———————一，L2， ／ 旷 √1一参 (t2一t1)与(t72一t71)符号相反的条件是 如√-<考(茹7z⋯7-)， (3) 每等>iC2t t ． (4)，2一 ，l 一一 口‘ ＼-r／ 首先。就公式(4)而论’，即使根据爱因斯坦的意见，在(C， C2，甜)范围内，也不存在因果律破坏的问题；而在(C2／v， ∞)范围内，才会出现因果律破坏的问题．地球公转轨道 速度为t，=30bTl／$，则c2／v=10000c；地球相对宇宙背 景辐射的速度为凹=400lan／s，则c2／v=750c；在实验室 中甜是实验者与实验仪器(研究对象)之间的相对速度， 其值更小，c2，口则更大．以地球的轨道运动为例，如果我 们在太阳上观测到小于一万倍光速的超光速现象，则不 会出现因果律破坏的问题．依同理类推可知，在宇宙背 景辐射场中观测到小于750倍光速的超光速现象，不会 ·313· 万方数据 专题综述 ZiranZazhiV01．23No．6 出现因果律破坏的问题；在实验室中观测实验现象，几 乎在整个范围(c，∞)内，不会出现因果律破坏的问题． 其次，我们在w 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 ‘』J描述不大 满意．他说：“波动力学的所有问题都需要有波动方程的 一组两个互相耦合的解”，“一个lIJ波，另一个u波”，“u 波与‘II波同相，U波的振幅在空间某点处附近具有很大 的数值(注：德布罗意称此为空间奇异点)，可以用来描 写粒子”等等．因为受狭义相对论是定域场理论的影响， 德布罗意本人认为“德布罗意波的相速度大于光速，但 如此波不传递信息，则不违反因果关系”；并假设“德布 罗意波以群速度传递信息”．真可惜!德布罗意虽然天 才地迈出了波粒二象性这一步，却在德布罗意波的相速 度超光速这点上不知所措了。其实在物理学中，声波、水 波、地震波、电磁波的波动方程中无一不用相速度来传 递(状态)信息，为什么就不敢写下德布罗意波的波动方 程，讨论实际存在的德布罗意波及其传递信息的问题 呢?总之，德布罗意波的相速度u=／：2Iv反比于物质粒 子运动的速度”，对亚光速口，德布罗意波的相速度It是 超光速的，并且，应当可以用实验来检验．至此，狭义相 对论中可能遇到的超光速物质运动问题共有三类： (1)快子秒>c，其德布罗意波的相速度“= c2／vc． 对快子，人们曾企图用①带电快子的eerenkov辐 射；②快子与物质的相互作用来测量．其实最简单而直 接的办法就是测它的总能量E和动量P，由其相速度 “=E／p=C2／v的大小来手蜗0．如果其相速度E／p 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 了．总而言之，正因为我们不识德布罗意 波的庐山真面貌，对德布罗意波本性的研究才必须深入 下去，这是量子力学研究中一块尚未完全开垦的处女 地，人们可以大有作为．作者深信，用实验揭开德布罗意 波之谜，更深刻地认识波粒二象性有利于深化对量子力 学本质的认识和对真空的复杂性的认识． 五、结 论 即使证实了自然界确实存在超光速现象，无论属于 哪一种，也不可能动摇狭义相对论和因果律；考虑虚数 “i”的作用，狭义相对论并不否认超光速运动，传统的认 识：“狭义相对论只能处理定域性问题”是一大误会．科 学的发展是不可逆的，科学的发展不可能消灭已经科学 建立的并经实践所检验的理论．科学的发展并不抛弃以 前已发现的相对真理，而是要将以前发现的相对真理包 含在更广泛的概念之中，更广大的理论框架之内． 笔者认为，即使中微子振荡获得确实的实验认可， 人们也并不能肯定中微子一定具有静止质量．结合不少 实验中测出微子的质量平方具有负值的结果，可能给出 的一个有现实物理意义的答案是：中微子就是人们长久 以来寻找的快子；而且当具有10000倍光速的中微子到 达地球时，地球人只能测到其为对应的反中微子．作者 已用德布罗意的波和粒子共存的思想，导出一个在形式 上与二分量的Weyl方程相同，但可以描述具有虚质量的 任何种类的自由中微子的方程，该方程与描述具有零质 量的自旋为1／2的自由中微子的狄拉克方程异曲同 212E56]． 6 7 8 9 lO 11 12 13 14 15 16 (2001年8月23El收到) WangL．J．，eta1．Nature，2000；406：277 BouwmeesterD．，PanJ．W．etoi．Nature，199r7；390(6660)：575 PanJ．W．，BotrwmeestcrD．et讲．Phys，Rev．Left．，1998；80：3891 BermettC．eta1．肋v．Rev．LeⅡ．，1993；70：1895 张永德．量子力学新进展(第一辑)．北京：北京大学出版社 2000：286 BosehiD．eta1．Phys．Rev．Lett．，1998；踯：1121 BouwmeesterD．，PanJ．W．薛a1．Phys．Rev．Lett．，1999；82：1345 P矾J．W．eta1．Nature，2000；403：515 TittelW．eta1．Phys．Rev．．1998：A57：3229 FransonD．Phys．Rev．Lett．，1989；62：2205 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信息从细胞质膜经胞质最终传递到核内，发挥调节细胞 代谢、生长、增殖、癌变和凋亡的生物学效应．生物信息 跨膜传递主要有以下四条途径(通路)【l，2J． 1．受体丝氨酸蛋白激酶(Ser—PK)途径 这类受体本身具有丝氨酸蛋白激酶活性，在与相应 万方数据 超光速运动的过去、现在和未来 作者： 艾小白， Ai Xiao-bai 作者单位： 中国科学院上海原子核研究所,上海,201800 刊名： 自然杂志 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF NATURE 年，卷(期)： 2001,23(6) 被引用次数： 10次 参考文献(56条) 1.TittelW Experimental demonstration of quantum correlations over more than 10 km[外文期刊] 1998(5) 2.Pan J W 查看详情[外文期刊] 2000 3.BouwmeesterD;PanJ W 查看详情 1999 4.Boschi D 查看详情 1998 5.Strand J;Kodre A 查看详情 1975 6.Kamoi K;Kamefuchi S 查看详情 1971(05) 7.Bandukwala J;Shay D 查看详情 1974 8.Ai X B 查看详情 2001(04) 9.Mohapatra R;Pal P Massive Neutrinos in Physics and Astrophysics 2000 10.de Broglie L;谢毓章 Non-linear Wave Mechanics ( A Causal Interpretation ) 1960 11.胡宁 电动力学 1963 12.张永德 量子力学新进展 2000 13.Bennett C 查看详情 1993 14.Pan J W;Bouwmeester D 查看详情 1998 15.Ai X B 查看详情 1996(05) 16.Flandern T V 查看详情 1998(01) 17.Mugnai D;Ranfani A;Ruggeri R 查看详情 2000 18.Akulshin A;Barreiro S;Lezama A 查看详情 1999 19.Steinberg A;Chiao R 查看详情 1994 20.Chiao R 查看详情 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