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超光速与狭义相对论的关系

《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？

狭义相对论基于相对性原理及光速不变原理这两个基本前提，旅美华裔物理学家沈志远提出:超光速难道不违反狭义相对论？许多物理学家认为“这并不违反狭义相对论，因为人无法用来传递信息.”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.可是光子确实用来传递信息，否则纠缠光子怎么会“知道”远处的另一个光子自旋改变了呢？纠缠光子之间相互作用速度超过光速，这难道不违反狭义相对论？美国的物理学家欧列克萨·迈伦·比兰纽克和E·C·乔治·苏达山在1962年，吉拉德·费恩伯格在1967年分别提出：超光速运动的粒子不违反相对论物理学的任何基本准则.这样一个假设的粒子可能放出类似于轮船涡流的契伦科夫辐射，因此可能被探测到.超光速粒子的质量可能是假想的，就比如-1的平方根是假想的一样.

1978年R.M.Santilli创立了强子力学（HadronicMechanics，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”.

2005年6月18日出版的《New Scientist》发表了M.Buchanan的文章“Doublejeopardy”.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P.Kwiat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“nothingcantravelfasterthanlight”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.

附录1：“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“推翻爱因斯坦相对论”.

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.