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从事超光速研究是需要有点精神的。2005年,是爱因斯坦发表光子学说和狭义相对论100周年。纵观爱因斯坦的一生,称他为伟大科学家这一点没有问题。但是,他去世已经快半个世纪了。狭义相对论是相对真相还是绝对真理?对他的理论是仅仅顶礼膜拜还是使之向前发展?不同的科学家就有不同的态度!我们认为,不应该神化爱因斯坦,不应该把他的理论当成宗教,要与时俱进,要反对“两个凡是”,这才是对待爱因坦的正确态度。
——黄志洵
黄志洵:1936年生于北京一中国传媒大学微波工程教授,电磁理论与电磁兼容学专业方向的博士生导师。中国科学院电子学专家所客座研究员。国务院颁证“做出突出贡献的专家”。曾主持设计一系列电子仪器和设备,并在国内外发表科学论文120余篇。
超光速研究的后期大约是从2000年开始的。在这一年,旅美的中国青年物理学家王力军在《自然》杂志上发表的一篇论文引起了相当大的反响,该文的题目是《增益辅助的超光速传播》、它描绘了王力军小组设计并实施的实验,特点是使用反常色散状态并获得负群速。我们知道,虽然在20世纪初就有一些著名物理学家(如爱因斯坦、A.索末菲、L.布里渊)讨论过负速度这一概念,但有关负速度的实验却是在20世纪末到21世纪初才真正得以成功的。王的实验用铯原子气体在光频实现了负群速:Vg=-c/310这时,光脉冲在尚未进入气室时就离开了气室,这一现象引起了许多争论。
王力军小组开创的光脉冲超光速实验,引起了广泛的兴趣。但是必须指出,理论和实验都表明,实现负群速比实现超光速群速要求更强的反常色散,即折射率n随频率f的变化关系要更陡峭,故负群速是更厉害的超光速。
受王力军实验的激励,随后在全世界有多个研究组进行了类似的量子光学实验,例如,美国M.D斯特纳等实现了Vg=-c/19.6(2003),北京大学的陈徐宗、肖峰等实现了Vg=-c/3000-c/1667(2004)等等。在频率较低的无线电波段,马自达和罗伯逊用电脉冲进行实验也获得Vg=-1.2c(2002)。上述情况表明,用无源系统或增益系统都能产生超光速群速乃至负群速,但用增益系统时可实现失真非常小的信号传送。
近期超光速研究的一个特点是,展开了对各种物理作用的速度的探索。2005年,笔者提出的广义信息速度(general information ve—locity,GIV)的概念,基于如下考虑:首先,在传送信号时可以没有实质性的内容(即没有消息),因而信号速度与信息速度不能混为一谈。其次,在GIV中我们列出了作用速度。
那么,什么是作用速度的含义?所谓“作用”对应的英文词是“interaction”,在实际中分为两种情况:①既有力效应又有能量传递的作用,如引力场的作用、电磁场的作用、核强力、核弱力作用均属此类。②没有力效应也没有能量传递的作用,量子纠缠态即属此类,亦即EPR问题。实验证实,在量子世界中似乎有一种超距的、即时的联系(相关)存在,体现在量子纠缠态中,但并未发现力效应、粒子传递和能量输送。
近年来,研究较多的是引力作用速度,并扩展到量子纠缠态的作用速度。对引力速度来讲,牛顿认为是无限大,爱因斯坦认为是c.但也有一系列的超光速数据:108c(P.拉普拉斯,1810),>20c(A.s.爱丁顿,1920),2 x 1010c(T.佛兰德伦,1998)。2003年,s.科佩金和E.弗马龙报告说测出了引力速度,它就是c,但这一报道并未获得美国科学界的支持。
1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森发表了一篇批判量子力学的文章,后来被称为EPR论文或EPR思维。然而到了1951年D.伯姆所阐述的EPR思维提示了一种奇怪的量子相关。当两个旋转粒子相互作用后分开很远,其自旋相等而相反,故可从一个推断另一个。根据量子力学,两者的自旋都不确定,直到测出为止。测量确定了一个粒子的自旋方向,量子相关使另一粒子立即接受确定的自旋。这一结果即使二者相距若干光年也可成立。这种远距离作用暗示着,粒子间有一种超光速作用存在。这是爱因斯坦所不能接受的——正是这类事使他苦恼,并与量子力学保持距离。
1981年~1983年。法国物理学家A.爱思博领导完成的实验,以高精度证明结果大大违反Bell不等式,而与量子力学的预言极为一致。他们的实验不仅是静态的,而且用动态装置检验了EPR的可分性(即局域性)原则,为物理学评价提供了可信的根据。在这些试验公布之后,拥护量子力学、不同意EPR的物理学家人数增多了。法国物理学家Bd’埃斯帕纳说:“几乎可以肯定局域实在论有错误。”英国物理学家、诺贝尔物理奖得主B.约翰夫森说,也许宇宙的某一部分“知道”另一部分,即一种有条件的远距接触(虽然互相不在一起)。
但是,人们对“超距作用”的存在仍有很大的疑虑(这不就回到了牛顿的绝对空间)。当然,也有人(如K.波普)认为,“应当考虑存在超距作用的可能”。可见,对EPR思维的讨论又与“超光速的可能性问题”相联系着。至于D.伯姆,他在1992年去世前,一方面排除了“用超光速传递信息”的可能性,但又说:“从深层次看就会发现有超光速的东西。”
科学家对量子纠缠态的研究导致了量子信息学的建立。为了避免别人说自己“反对爱因斯坦”,一些研究量子信息学的专家谨慎地与超光速研究拉开距离。然而,不久前有报道说,2000年N.吉森等在瑞士的实验测量得到量子纠缠态的作用速度为(104~107)c。这是一个重要的情况,表示这个作用速度不是无限大,而是超光速的。虽然这并不表示可以自动实现所谓的量子超光速通信,亦即量子纠缠不能传递经典信息,但证明量子信息超光速也有其意义。
有关国内外在超光速研究方面的进展,笔者曾写过三本著作:《超光速研究》、《超光速研究新进展》、《超光速研究的理论与实验》。
——黄志洵
黄志洵:1936年生于北京一中国传媒大学微波工程教授,电磁理论与电磁兼容学专业方向的博士生导师。中国科学院电子学专家所客座研究员。国务院颁证“做出突出贡献的专家”。曾主持设计一系列电子仪器和设备,并在国内外发表科学论文120余篇。
超光速研究的后期大约是从2000年开始的。在这一年,旅美的中国青年物理学家王力军在《自然》杂志上发表的一篇论文引起了相当大的反响,该文的题目是《增益辅助的超光速传播》、它描绘了王力军小组设计并实施的实验,特点是使用反常色散状态并获得负群速。我们知道,虽然在20世纪初就有一些著名物理学家(如爱因斯坦、A.索末菲、L.布里渊)讨论过负速度这一概念,但有关负速度的实验却是在20世纪末到21世纪初才真正得以成功的。王的实验用铯原子气体在光频实现了负群速:Vg=-c/310这时,光脉冲在尚未进入气室时就离开了气室,这一现象引起了许多争论。
王力军小组开创的光脉冲超光速实验,引起了广泛的兴趣。但是必须指出,理论和实验都表明,实现负群速比实现超光速群速要求更强的反常色散,即折射率n随频率f的变化关系要更陡峭,故负群速是更厉害的超光速。
受王力军实验的激励,随后在全世界有多个研究组进行了类似的量子光学实验,例如,美国M.D斯特纳等实现了Vg=-c/19.6(2003),北京大学的陈徐宗、肖峰等实现了Vg=-c/3000-c/1667(2004)等等。在频率较低的无线电波段,马自达和罗伯逊用电脉冲进行实验也获得Vg=-1.2c(2002)。上述情况表明,用无源系统或增益系统都能产生超光速群速乃至负群速,但用增益系统时可实现失真非常小的信号传送。
近期超光速研究的一个特点是,展开了对各种物理作用的速度的探索。2005年,笔者提出的广义信息速度(general information ve—locity,GIV)的概念,基于如下考虑:首先,在传送信号时可以没有实质性的内容(即没有消息),因而信号速度与信息速度不能混为一谈。其次,在GIV中我们列出了作用速度。
那么,什么是作用速度的含义?所谓“作用”对应的英文词是“interaction”,在实际中分为两种情况:①既有力效应又有能量传递的作用,如引力场的作用、电磁场的作用、核强力、核弱力作用均属此类。②没有力效应也没有能量传递的作用,量子纠缠态即属此类,亦即EPR问题。实验证实,在量子世界中似乎有一种超距的、即时的联系(相关)存在,体现在量子纠缠态中,但并未发现力效应、粒子传递和能量输送。
近年来,研究较多的是引力作用速度,并扩展到量子纠缠态的作用速度。对引力速度来讲,牛顿认为是无限大,爱因斯坦认为是c.但也有一系列的超光速数据:108c(P.拉普拉斯,1810),>20c(A.s.爱丁顿,1920),2 x 1010c(T.佛兰德伦,1998)。2003年,s.科佩金和E.弗马龙报告说测出了引力速度,它就是c,但这一报道并未获得美国科学界的支持。
1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森发表了一篇批判量子力学的文章,后来被称为EPR论文或EPR思维。然而到了1951年D.伯姆所阐述的EPR思维提示了一种奇怪的量子相关。当两个旋转粒子相互作用后分开很远,其自旋相等而相反,故可从一个推断另一个。根据量子力学,两者的自旋都不确定,直到测出为止。测量确定了一个粒子的自旋方向,量子相关使另一粒子立即接受确定的自旋。这一结果即使二者相距若干光年也可成立。这种远距离作用暗示着,粒子间有一种超光速作用存在。这是爱因斯坦所不能接受的——正是这类事使他苦恼,并与量子力学保持距离。
1981年~1983年。法国物理学家A.爱思博领导完成的实验,以高精度证明结果大大违反Bell不等式,而与量子力学的预言极为一致。他们的实验不仅是静态的,而且用动态装置检验了EPR的可分性(即局域性)原则,为物理学评价提供了可信的根据。在这些试验公布之后,拥护量子力学、不同意EPR的物理学家人数增多了。法国物理学家Bd’埃斯帕纳说:“几乎可以肯定局域实在论有错误。”英国物理学家、诺贝尔物理奖得主B.约翰夫森说,也许宇宙的某一部分“知道”另一部分,即一种有条件的远距接触(虽然互相不在一起)。
但是,人们对“超距作用”的存在仍有很大的疑虑(这不就回到了牛顿的绝对空间)。当然,也有人(如K.波普)认为,“应当考虑存在超距作用的可能”。可见,对EPR思维的讨论又与“超光速的可能性问题”相联系着。至于D.伯姆,他在1992年去世前,一方面排除了“用超光速传递信息”的可能性,但又说:“从深层次看就会发现有超光速的东西。”
科学家对量子纠缠态的研究导致了量子信息学的建立。为了避免别人说自己“反对爱因斯坦”,一些研究量子信息学的专家谨慎地与超光速研究拉开距离。然而,不久前有报道说,2000年N.吉森等在瑞士的实验测量得到量子纠缠态的作用速度为(104~107)c。这是一个重要的情况,表示这个作用速度不是无限大,而是超光速的。虽然这并不表示可以自动实现所谓的量子超光速通信,亦即量子纠缠不能传递经典信息,但证明量子信息超光速也有其意义。
有关国内外在超光速研究方面的进展,笔者曾写过三本著作:《超光速研究》、《超光速研究新进展》、《超光速研究的理论与实验》。