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地外文明探索与超光速研究-04 中国传媒大学信息工程学院 黄志洵  

2014-07-08 22:58:19|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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地外文明探索与超光速研究-04

  中国传媒大学信息工程学院   黄志洵


4. 近期的超光速研究

超光速研究的后期大约从2000年开始。在这年,旅美的中国青年物理学家王力军在Nature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A.Einstein, A.Sommerfeld,L.Brillouin)讨论过“负速度”,但这一概念的实验实现却是20世纪末到21世纪初才真正成功。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。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,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.Stenner等实现了vg=-c/19.6(2003年);北京大学的陈徐宗、肖峰等实现了vg=-c/1667~ -c/3000(2004年);等等。在频率较低的无线电波段,Munday和Robertson用电脉冲进行实验,曾获得vg(2002年)。……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,笔者提出了广义信息速度(general information velocity, GIV)的概念并有如下考虑: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(即vs≠vi)。其次,在GIV中我们列出了作用速度(interaction velocity, IV)。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。例如,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VG,I.Newton认为是无限大,A.Einstein认为是c;但也有一系列的超光速数据:(P.Laplace提出,1810年);(A.S.Eddington提出,1920年);(T.Flandern提出,1998年)。2003年,S.Kopeikin和E.Fomalont报告说测出了引力速度,它就是c;这一报道未获得美国科学界的支持。

 

1935年,Einstein、Podolsky和Rosen发表了一篇批判量子力学(QM)的文章,后来被称为EPR论文或EPR思维。然而,1951年D.Bohm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对。这种远距离作用暗示,粒子间有一种超光 速作用存在。这是Einstein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……

 

1981-1983年,法国物理学家A.Aspect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Aspect实验(以及其它实验)公布之后,拥护量子力学、不同意EPR的物理学家人数增多了。例如,法国物理学家B.d  Espagnat说“几乎可以肯定局域实在论有错误”。又如,英国物理学家、Nobel物理奖得主B.Josephson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,人们对承认“存在超距作用”仍有很大的疑虑(这不就回到了I.Newton的绝对空间);然而,也有人(如K.Popper)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.Bohm,他在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:“从深层次看就会发现有超光速的东西。”

 

对量子纠缠态(quantum entangled state)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Einstein”,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.Gisin等在瑞士的实验测量得到量子纠缠态(QES)的作用速度为 (104~107)c。这是重要的情况,表示这个作用速度不是无限大,而是超光速的。这虽然并不表示可以自动实现所谓“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。

 

关于国内外在超光速研究方面的进展,进一步的了解可参阅笔者的3本着作:《超光速研究》(科学出版社,1999);《超光速研究新进展》(国防工业出版社,2002);《超光速研究的理论与实验》(科学出版社,2005)。

 

 

5. 航天界关注和介入超光速研究

2004年11月,宋健院士策划并领导、组织了一次学术会议——第242次香山科学会议(主题是“宇航科学前沿与光障问题”)。不久前,有学者在学术刊物上撰文回忆说,该会议“是在科学发展的重要时刻探讨关键问题的一次重要会议,标志着中国科学家对重大科学问题的参与,具有历史里程碑的意义。”……这样高的评价是否正确姑且不论,但它取得了成功并产生了相当大的影响则是肯定的。

 

在这次会议上,会议执行主席之一的陈佳洱院士说,对于A.Einstein,我们如能发展其理论思想就是最好的纪念。在历史上,任何理论均有其适用范围,总会被更好的理论继承、发展和取代。实践是检验真理的唯一标准,在自然科学研究上更是如此。判断的标准只有一个:大量的人的大量实验。他号召大家发展好的物理思想,设计并进行精巧的实验。

 

会议开始时,宋健院士作了题为《航天、宇航和光障》的主题评述报告。它大气磅礴,充满了对人类未来的关注和思考。其中的一些内容,实际上是代表航天界直接地提出这样的问题:未来的宇宙飞船究竟能否以超光速飞行?!这是严肃而重大的课题,过去仅仅凭兴趣研究超光速问题的大多数人其实并没有考虑过。

 

地球人类是宇宙的孩子,是宇宙所孕育的。宇宙的均一性使我们断定生命不是地球上才有的现象,而是正常的、到处都会发生的可重复的规律,只是生命的具体形态会有所不同。也就是说,条件具备时就会有生命出现;而仅仅在银河系,可能具备条件的恒星系统大约有107-108个!因此,科学界的多数人都相信有外星智慧生命存在。……既然如此,为什么他们至今没有来地球造访我们呢?

 

一个最简单的解释是,宇宙实在太大了,恒星系统之间的距离太远了。例如,太阳系外最近的恒星(半人马座α星)距地球约4.3光年。为了作比较,我们看看地球人在制造高速飞行器方面的现有水平。2004年美国实现了飞机在大气层的10倍音速飞行,假使以这个速度飞往半人马座α,往返一次竟需85万年。2006年1月,美国NASA的“星尘号”无人飞船返回地球时的速度是迄今为止人造飞行器的最高速度,但前往半人马座并返回也要大约20万年!

 

如果飞船能以光速或超光速飞行,情况就不同了。例如,以c飞行的飞船花4.3年的时间即可抵达,往返需时8.6年。如以超光速飞行,则时间大为缩短。正是这种状况使宋健院士认为,今后努力目标应是使飞船速度接近光速或(如果可能)超过光速,作为实现“太外飞行”(即飞到太阳系以外)的前提条件之一。

 

简而言之,宋健院士于2004年11月提出的观点可概括如下:① 生命的出现是自然规律决定的。只要环境适宜(特别是有液态水),时间足够长时就会出现生命;因此“地外生命”有可能存在。② 飞出太阳系是人类的伟大理想;若干年后,将有第一批宇航员飞出太阳系并安全返回。③ 要实现“太外飞行”,有4大理论和技术问题要解决,即:绘制宇宙图;设计喷气速度近光速的发动机;建设长期生命保障系统;克服光障。对这些问题,科学界已做了一些前期工作。④狭义相对论并不能排除超光速运动的存在;说“超光速不可能”缺乏实验证据。

 

宋健认为,20世纪下半叶至今,很多物理学家继续研究存在超光速运动的可能性。但从早期的虚质量,快子,到改变空间尺度,超光速传播,负质量等等努力都没能绕过β=v/c=1这个奇点。从技术科学来看光障,这个奇点的产生不是来自数学,而是来自以光学和电磁波手段测距的技术基础。用光学或雷达往返信号时间间隔之半去定义距离,用这种技术,由于光速的有限性,根本看不到运动速度等于和大于c的目标,所以它不可能成为研究和发展超高速宇航的基础。

 

宋健指出,电磁波传播速度的有限性也限制了超光速双向宇航通讯的可能性,地面站用电磁波无法向以接近或超过光速c运动的飞船发出指令或建议。航天技术呼唤实验物理学家们寻找传播速度大于c的信号源。只要能找到这种新的信号源,以光速或超光速作宇宙航行的可能性就会大为增长。

 

另外,中国运载火箭技术研究院研究员、中国航天工程咨询中心首席科学家林金还提出了一个从航天实践中抽象出来的思维实验,从火箭自主惯性导航的理论模型得出,一个运动质点自己可以测量自己相对一个给定惯性系的速度、加速度和位置作为质点上自带钟固有时间的函数,而无需与外界交换信息。亦即如果世界上没有电磁场和光,惯性系统可照常自主定位和测速。那么,对于(假想的)只有引力而无电磁的世界,为何光速会成为速度极限?!这是说不通的。故宇宙飞船的速度不存在上限!

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