超光速的試驗課件

光1光的干涉、衍射和偏振實驗---光的波動性2光電效應(yīng)實驗---光的粒子性3單光子分光實驗---光子不可分

3.1一個光子分為反射光和透射光3.2透射光通過多個分光器3.3反射光和透射光匯聚于第二個分光器1.一個光子分為反射光和透射光2.透射光通過多個分光器透射光通過多個分光器經(jīng)典的隨機性可通過獲取其信息而成為確定，如擲一次硬幣，擲前每一面朝上的幾率都是1/2；擲后若朝上的一面的幾率為1，則另一面朝上的幾率為0；量子隨機性不可移去，如一個光子經(jīng)過一次分光器后，透射光仍有1/2的幾率再一次被透射，1/2的幾率再一次被反射。3.反射光和透射光匯聚于第二個分光器在兩條光路相等的情況下，D（1）以100%的幾率探測到，D（2）以0%的幾率探測到。當(dāng)光到達第二個半鍍銀的玻璃片M（2）之前，用一個全吸收屏將兩路光的任一路吸收掉，光子以1/2的幾率被探測器D（1）和D（2）所接收.

當(dāng)光到達第二個半鍍銀的玻璃片M（2）之前，用一個全吸收屏將兩路光的任一路吸收掉，光子以1/2的幾率被探測器D（1）和D（2）所接收.以此，可以進行量子無損害測量，可以作為量子計算機的基本元件。光速0前言1、關(guān)于光速2、一些實驗結(jié)果3、超光速理論4．光速仍是信息速度的極限的最新實驗根據(jù)5、評述運動速度超過光速的現(xiàn)象稱為超光速現(xiàn)象或超光速效應(yīng)，簡稱“超光速（superluminal）”。超光速運動的粒子稱為超光速粒子，或快子（tachyon）。在其中出現(xiàn)“超光速”現(xiàn)象的介質(zhì)稱為“快光（fast-light）”物質(zhì)。光脈沖在光學(xué)介質(zhì)中傳播的速度沒有精確的定義。任何脈沖都是一些具有不同頻率的正弦基波的組合。單個正弦基波在光學(xué)介質(zhì)中傳播，具有確定的相速度v=c/n()，其中c為真空中的光速，n()為該光學(xué)介質(zhì)的折射率，對于不同的頻率有不同的折射率，因而有不同的相速度。光脈沖在光學(xué)介質(zhì)中傳播的近似理論，脈沖的波峰的傳播速度為群速度vg=c/ng,

其中群折射率ng=n+dn/d|=，為波包的中心頻率。dn/d是光學(xué)物質(zhì)的色散。在典型的光學(xué)物質(zhì)中，存在一個狹窄的光譜區(qū)域，出現(xiàn)dn/d

<0，即所謂反常色散。在這樣的區(qū)域中，ng可能小于1甚至為負。這就導(dǎo)致“快光”。即光脈沖的波峰可能在還沒有通過光學(xué)物質(zhì)的入口之前就出去了。慢光慢光Lene

Vestergaard

HaumS.E.Harris,ZacharyDutton,CyrusH.Behroozi,Nature397,594(1999)17米/秒光存儲控制光探測光介質(zhì)無反轉(zhuǎn)激光單光子開關(guān)關(guān)于光速首次計算出光速

光是電磁波光速作為基本測量標(biāo)準光速不變原理是相對論的基礎(chǔ)光線在引力場中彎曲光速是速度極限丹麥天文學(xué)家羅默（OleRomer）在17世紀首次成功地計算出光速。用木星的一顆衛(wèi)星有規(guī)律的軌道運動作為計時器每次這顆衛(wèi)星被巨大的行星（木星）所掩食，他便記錄下一個“滴答”。但他發(fā)現(xiàn)，從地球上觀察，這些滴答的出現(xiàn)并不像預(yù)想的那么規(guī)律，在一年之中會時而快幾分鐘，時而慢幾分鐘。

首次計算出光速羅默計算出，這些時延是木星和地球在繞太陽運動時它們之間的距離變化所引起的。通過計算一年里地球、木星及其衛(wèi)星在軌道上的相對位置，他算出了光穿過宇宙空間的速度。羅默于1676年向法國科學(xué)院提交了他的結(jié)果，數(shù)值與目前被接受的值之差不超過30%。

用c=fλ計算光速（c）

1米定義為氪-86源產(chǎn)生的光的波長的1,650,763.73倍，1秒則定義為銫-133原子超精細躍遷放出的輻射頻率的9,192,631,770倍。這使得c達到非常高的精度，誤差只有十億分之幾。

光速作為測量標(biāo)準1983年，光速取代了米被選作定義標(biāo)準，約定為299,792,458米/秒，數(shù)值與當(dāng)時的米定義一致。秒和光速的定義值，表示1米從此定義為光在真空中1/299,792,458秒內(nèi)走過的距離。因此自1983年以來，不管我們對光速的測量作了多少精確的修正，都不會影響到光速值，卻會影響到米的長度。

光速不變原理是相對論的基礎(chǔ)

光速還關(guān)系著比長度更加基本的東西。光速的真正重要性在于：光速不僅僅是光子在真空中運動的速度，還是連接時間與空間的基本常數(shù)。相對論基于一個通用原則：相對任何以恒定速度運動的觀察者來說，不管這個速度是多少，物理原理及光速都是一樣的。確定了光速在物理學(xué)中的根本地位。

光線在引力場中彎曲

穿越時空的光線，在大質(zhì)量物體附近會彎曲。1919年日食期間觀測掠過太陽附近的星光被太陽的質(zhì)量所彎曲而得到證明。光速是速度極限相對論和大量現(xiàn)代實驗證明，沒有任何靜止質(zhì)量不為零的物體能加速到光速。任何（包括靜止質(zhì)量為零的）物質(zhì)的運動速度不能超過真空中的光速。不論我們建造動力多么強勁的火箭飛船，它們也永遠不能到達光速。一個物體的動能增加，它的慣性也增加，從而越來越難繼續(xù)加速。

2一些實驗結(jié)果2．1．量子交纏態(tài)（EPR態(tài)）與超距作用2．2．量子隧穿與超光速2．3．介質(zhì)中的超光速現(xiàn)象，切倫科夫輻射2．4．使光速變慢甚至完全停止2．5．天文學(xué)中的超光速現(xiàn)象2．6．宇宙暴漲與超光速2．7．在介質(zhì)中使光脈沖的群速度超過真空中光速c2．8．中微子質(zhì)量平方為負2．9．宇宙微波背景輻射作為絕對靜止坐標(biāo)系1.量子交纏態(tài)（EPR態(tài)）與超距作用1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出兩個一維粒子的量子態(tài)（現(xiàn)在稱之為EPR態(tài)）(x1,x2)=∫dp

exp[ip(x1-x2+x0)/]=2(x1-x2+x0),

這是一個交纏態(tài)。

在這個交纏態(tài)中，每個粒子的坐標(biāo)是不確定的，但是，兩個粒子的相對距離是確定的。如果x0很大，即兩個粒子相距很遠，沒有因果聯(lián)系，測量前，每個粒子的坐標(biāo)是不確定的，一旦測得一個粒子的位置為x1，則另一個粒子的位置立即完全確定（為x2=x0-x1）。EPR思想實驗（瞬時傳態(tài)）|>=（1/2）（|1(+)>|2(-)>+|1(-)>|2(+)>）

假設(shè)這兩個粒子從源產(chǎn)生的時候總動量為零，它們沿相反的方向自由運動。兩個粒子在分開前有相互作用，分開后設(shè)沒有。這兩個粒子組成的系統(tǒng)的狀態(tài)用|1>|2>表示。第一個粒子的自旋為+1/2，則第二個應(yīng)為-1/2，這種情況表示為|1(+)>|2(-)>，第一個粒子的自旋為-1/2，第二個為+1/2，這種情況表示為|1(-)>|2(+)>。只有這兩種情況，因此

量子超空間傳輸?shù)膶嶒炓言?997年實現(xiàn)了（見Nature,390,575.1997）。

量子隱形傳態(tài)（teleportation）2000年，Nature發(fā)表潘建偉等的實驗結(jié)果，證明三個光子的糾纏態(tài)的量子非局域性[1]。

[1]

Jian-WeiPan,DikBouwmeester,MatthewDaniell,HaraldWeinfurterandAntonZeilinger，Experimentaltestofquantumnonlocalityinthree-photonGHZentanglement，Nature，3February2000,Vol.403,No.6769,p.5152.量子隧穿與超光速

1993年，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的RaymondChiao證明：量子理論還允許另一種超光速旅行存在：量子隧穿。

Chiao通過測量可見光光子通過特定過濾器的隧穿時間，證明了“超光速”隧穿效應(yīng)的存在。結(jié)果隧穿光子先到達探測器，證明它們穿越過濾器的速度可能為光速的1.7倍。

3.使光速變慢甚至完全停止

1998年美國哈佛大學(xué)的LeneVestergaardHau宣布，她把光速降到了每秒17米。2001年，她使光完全停止了。她的研究小組所用的材料，是處于玻色－愛因斯坦凝聚態(tài)的物質(zhì)。

2001年1月19日Nature發(fā)表了Hau領(lǐng)導(dǎo)的小組[1]和R.L.Walsworth和

D.Lukin[2]分別獨立地完成將光停下來的實驗。

[1]

ChienLiu,ZacharyDutton,CyrusH.Behroozi,LeneVestergaardHau,Observationofcoherentopticalinformationstorageinanatomicmediumusinghaltedlightpulses,Nature,409,490-493(2001)[2]MichaelM.Kash,VladimirA.Sautenkov,AlexanderS.Zibrov,L.Hollberg,GeorgeR.Welch,MikhailD.Lukin,YuriRostovtsev,EdwardS.Fry,andMarlanO.Scully，UltraslowGroupVelocityandEnhancedNonlinearOpticalEffectsinaCoherentlyDrivenHotAtomicGas，Phys.Rev.Lett.82,5229(28June1999)；

RonaldL.Walsworth和

MikhailD.Lukin，Phy.Rev.Letts.,20014.天文學(xué)中的超光速現(xiàn)象

類星體有時噴出速度比光速快得多的噴流。宇宙在膨脹，星系彼此遠離。星系之間距離越遠，互相分離的速度越大。如果星系之間足夠遠，它們退行的速度就比光還快。

5.宇宙暴漲與超光速

如果光速是任何信號傳遞速度的上限，相距遙遠的區(qū)域就不能達到熱平衡。因為沒有任何東西能夠在大爆炸發(fā)生以后走完這段距離。而如果兩個區(qū)域不能交換熱量，它們也就不會達到相同溫度。但宇宙在大尺度上是相當(dāng)均勻的。宇宙曾經(jīng)歷了超光速的暴漲時期。

6.

脈沖“超光速”的實驗[1]美國普林斯頓大學(xué)研究員王理軍[2]，最近利用光脈沖通過一個充滿特制銫氣的密封容器，結(jié)果出現(xiàn)不尋常現(xiàn)象，該束光脈沖竟然幾乎“同一時間”在容器兩端不分先后地出現(xiàn)，并到達容器以外60英尺處。速度達到每秒18.6萬英里，相當(dāng)于光速300倍，這是一項重大發(fā)現(xiàn)。在經(jīng)典物理學(xué)的范圍內(nèi)，依據(jù)愛因斯坦的相對論，包括迄今為止的所有實驗結(jié)果均確認，真空中光的速度是物體速度的極限。在量子物理學(xué)中，量子的非定域性（non-locality）（曾被看作是奇怪的、超光速的“超距作用”）和量子遠距傳態(tài)（teleportation）等，近年已為實驗所證明。但是還未發(fā)現(xiàn)信息傳播的速度超過真空中的光速。出射光脈沖在入射脈沖峰值進入介質(zhì)之前出現(xiàn)，但在這之前入射脈沖的前沿早已進入介質(zhì)了。

王理軍（LijunWang）博士是美國普林斯頓大學(xué)NEC物理科學(xué)研究所的華裔科學(xué)家（1992年美國Rochester大學(xué)物理學(xué)博士）。他說，量子力學(xué)的最重要的結(jié)論之一是我們必須接受“測量的精度在客觀上存在一個限制”的事實。我的研究興趣在證認這種限制的許多不同的方面.我的部分研究將指向光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用方面。王理軍在他的博士學(xué)位學(xué)習(xí)期間的研究是在量子光學(xué)和激光物理方面。他在Duke大學(xué)的博士后研究工作是關(guān)于光與物質(zhì)的相互作用以及原子的操作。他最近作的工作是觀察光脈沖的超亮傳播（superluminalpropagation）。這一工作結(jié)果2000年在英國《自然（Nature）》雜志。

[1]

L.J.Wang,A.Kuzmich&A.Dogariu,Gain-assistedsuperluminallightpropagation,

NATURE,VOL406,20JULY2000,[2]王理軍博士自述：王理軍（LijunWang），美籍華人，美國普林斯頓大學(xué)，NEC物理科學(xué)研究所研究科學(xué)家，1992年美國Rochester大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)博士。量子力學(xué)的最重要的結(jié)論之一是我們必須接受“測量的精度在客觀上存在一個限制”的事實。我在量子光學(xué)的部分研究興趣是證認這種限制的各個方面。自從我早在大學(xué)生時就讀HanburyBrown和Twiss的論文,我被量子光學(xué)吸引了。我其后有了一些令人激動和有成效的研究經(jīng)驗。我的部分研究更多的是在光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用方面。作為NECI的研究科學(xué)家，在如此的理想的環(huán)境進行這些研究是一優(yōu)惠。在博士學(xué)習(xí)期間的研究領(lǐng)域是量子光學(xué)和激光物理。在Duke大學(xué)作博士后的工作期間的研究領(lǐng)域是光與物質(zhì)的相互作用以及原子的操作。在加入NECI以前,在研究所和一般原子的高等技術(shù)部的高級科學(xué)家,在哪兒是一位多才多藝的應(yīng)用物理學(xué)家。DR.LIJUNWANG，NECRESEARCHINSTITUTE,INC.3.超光速理論黃志詢.超光速研究[M].北京:科學(xué)出版社.1999；黃志詢.超光速研究新進展[M].北京:國防工業(yè)出版社.2002；張

操:.修正的相對論和引力理論[M].

北京:中國原子能研究院.2000；曹盛林.芬斯勒時空的相對論和宇宙論[M].

北京:北京師范大學(xué)出版社.2001；艾小白.超光速運動的過去、現(xiàn)在和未來[J].

自然雜志，2001，23（6）：311第二屆電磁波波速學(xué)術(shù)會議2002年5月25-26日，第二屆電磁波波速學(xué)術(shù)會議在北京舉行。中國電子學(xué)會電磁波波速專家工作組主辦，組長黃志詢教授作了題為“近年來國外的超光速實驗”的報告，美國阿拉巴馬大學(xué)張操教授作了題為“超光速運動和狹義相對論的局限性”的報告，共有11人作了學(xué)術(shù)報告，這些報告匯集成《第二屆電磁波波速學(xué)術(shù)會議論文專集》（北京石油化工學(xué)院學(xué)報2002第4期）于2002年12月出版。

4．光速仍是信息速度的極限的最新實驗根據(jù)

4．1．證明LORENTZ不變性的新實驗4．2．現(xiàn)代版的Michelson-Morley實驗4．3．光速仍是信息速度的極限4.1證明LORENTZ不變性的新實驗國際空間站的低溫銫原子鐘（號稱世界上最好的,NISTF-1,精度達10-15）實驗與地面實驗比較，證明LORENTZ不變性和狹義相對論*，精度達10-17。

*

Bluhm

etal.,PhysicalReviewLetters,4March2002.

4.2現(xiàn)代版的Michelson-Morley實驗2003年2月5日，美國物理學(xué)會報道，Stanford大學(xué)的物理學(xué)家John

Lipa小組進行的現(xiàn)代版的Michelson-Morley實驗，證明LORENTZ不變性和狹義相對論仍然成立*。

*

Lipaetal.,PhysicalReviewLetters,2003，F(xiàn)eb.

4.3真空中的光速仍是速度極限

自從愛因斯坦提出相對論以來，人們對確定物體的速度極限是否等于真空中的光速一直很感興趣。所以關(guān)于光脈沖的群速度（一組頻率幾乎相同的波的群體速度）可超過真空中光速的報道引起廣泛討論就不足為奇了。2003年10月，Nature發(fā)表Stenner等人的實驗結(jié)果首次證明，對在群速度超過真空中光速的一種介質(zhì)中傳播的脈沖來說，信息的傳播速度慢于光速。這項工作證實了真空中光速仍是速度極限，并提出了加快通信系統(tǒng)的發(fā)展、以使信息傳播速度接近光速的方法。[1]

MICHAEL

D.

STENNER,DANIEL

J.

GAUTHIER&MARK

A.

NEIFELD,Thespeedofinformationina'fast-light'opticalmedium,Nature425,695-698(16October2003);

光脈沖在光學(xué)介質(zhì)中傳播的速度是沒有精確的定義的，因為任何脈沖都是一些具有不同頻率的正弦基波的組合。單個正弦基波在光學(xué)介質(zhì)中傳播具有確定的相速度v=c/n()，其中c為真空中的光速，n()為該光學(xué)介質(zhì)的折射率，因此對于不同的頻率有不同的折射率，因而有不同的相速度。脈沖的波峰的傳播速度為群速度vg=c/ng,其中群折射率ng=n+dn/d|=，為波包的中心頻率。dn/d是光學(xué)物質(zhì)的色散。在典型的光學(xué)物質(zhì)中，存在一個狹窄的光譜區(qū)域，出現(xiàn)dn/d

<0，即所謂反常色散。ng可能小于1甚至（當(dāng)反常色散很大時）為負。這就導(dǎo)致“快光”，即光脈沖的波峰可能在還沒有通過光學(xué)物質(zhì)的入口之前就出去了。早在1910年左右，一些研究者在一些討論超群速度（vgc或vg

0）的學(xué)術(shù)會議上就關(guān)心過超群速度的可能性?；谶@些討論，索末菲（Sommerfeld）在理論上證明了一個方形脈沖的波前通過任何介質(zhì)的速度都等于c，因此保持相對論的因果性。隨后，Brillouin認為，當(dāng)色散是非正常的情況下，脈沖受到扭曲，其群速度在物理上沒有意義。遺憾的是，至今還沒有關(guān)于信息的速度的一致的定義。截至2003年10月為止的實驗結(jié)果說明，狹義相對論關(guān)于信息的速度不超過真空中的光速的論述仍然成立。

5信息的速度佯謬：當(dāng)測量在空間上與我們分離的一個事件的時間和距離時，我們和該事件之間必須有信息傳輸如果我們知道信息傳輸?shù)乃俣?，則我們能夠容易地確定該時間的時間和距離。但是，速度是用時間和距離來定義的，這就導(dǎo)致佯謬。我們在談?wù)撔畔⒌乃俣戎氨仨氈酪粋€事件的四維坐標(biāo)（時間和位置），而要確定一個事件的四維坐標(biāo)必須知道信息的速度。最大信息速度：為解決這個佯謬，我們必須找到某個東西作為其他一切東西的基礎(chǔ)。如果我們不接受超距作用，我們就說，總存在一個我們稱之為c的最大信息速度。在所有參考系中，都應(yīng)該有自己的最大信息速度，只是數(shù)值大