stefanzhang
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关于超光速问题
我不太明白现在为什么会有人研究超光速问题，如果超光速是指能量或者信号的传递速度，那么所谓的超光速完全可以证明为不存在，寻求超光速是不是有点缘木求鱼的味道呢？
| 发表时间：2004-03-20, 22:45:45 |
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卢昌海
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Re: 关于超光速问题
最近几年这方面的确出现了一些讨论，比如 Scharnhorst 效应，我还保留过几篇文章。可是后来忙别的事，一直也没时间看，等看过后再讨论。不过好象没看到学术界有人声称狭义相对论或因果律因此而受到破坏，因此关键可能仍在于对“超光速”这个术语的真实涵义的理解上，就象在相速度超过光速时发现群速度才是关键，在群速度超过光速时发现能量传播速度才是关键 。。。
对这个话题已经有所了解的朋友先开讲吧。
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| 发表时间：2004-03-20, 23:27:28 |
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星空浩淼
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Re: 关于超光速问题
关于这个问题,可能不象以前想象的那样简单
人们研究这个,不是从理论开始的,而是有实验结果之后,现在在找理论解释,试图跟相对论协调.
1)研究tunneling time.从理论到实验发现都是超光速的.tunneling time问题现在还在争论之中.
没有经典解(按经典理论那是虚数时间解).用光子隧穿实验发现(尤其是单光子赛跑实验)是超光速过程.tunneling time问题的另一个难处是,时间在相对论中与空间平等,而在量子力学中则仅仅是一个参数.
2)电磁场源产生的近场,发现也有超光速行为.
本人认为以上二种其实是同一的.
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| 发表时间：2004-03-21, 00:19:03 |
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星空浩淼
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Re: 关于超光速问题
即使在经典平均的意义上,不会有超光速现象但在量子力学水平上,则未必(场算符对易关系或传播子那里所体现的微观因果率,其实也是对应宏观平均效应,即一个观察者的行为不能超光速地影响另一个观察者的结果).Feynman路径积分包括各种路径的贡献,其中就包括在中间过程中出现类空过程的贡献(对于固定的起点和终点这段总路径而言,总是类时或类光的).
有本英文版的量子场论导引(作者我忘了,很厚),那里谈到粒子的类空过程.另外,S.温伯格的引力论和宇宙论里也谈到过,那里他是用正反粒子对称性来避免因果悖论的.正反粒子对称性似乎专门为这个而设置的.Feynman图中的内线不在质壳上,其中有类空的,也有类时的.一般认为,所有这些,没有可观察效应,所以不存在问题.但我不知道,这会不会跟当初以为磁矢势没有可观察效应仅仅是一个没有物理意义的数学方便的量.而后来AB效应否定了这一看法的过程类似?(其实从规范场论的物理思想,尤其是"绝对微分-时空弯曲-纤维丛上的联络"出发也能判断出AB效应的存在).
我在考虑近些年实验发现的超光速现象是不是可以归结于上述原因.
另外如果从量子效应不可忽略的两个参照系出发,推导"量子Lorentz变换公式",那么这种考虑了量子力学效应的因果率的表达试是不是跟经典的有所不同?经典的狭义相对论的推导,其参照系是质量无穷大的宏观经典的.既然我们在相对论的基础上建立相对论量子力学,为何不可以反之在量子力学的基础上重建狭义相对论,即"量子力学相对论"?如果两种次序不同的建立方法之间"不可对易",则"量子力学相对论"会产生一些不同于"相对论量子力学"的新东西.也许这对前面所谈的量子力学中的类空过程会多了一层新的理解.
呵呵,乱七八糟的说一通.希望看到各位发表看法!
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| 发表时间：2004-03-21, 01:17:38 |
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stefanzhang
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Re: 关于超光速问题
群速度超过光速不就意味着能量超过光速?
在王利军的实验中,在介质另一端观察到的出射脉冲难道不含有能量吗?
虽然这个能量不是入射脉冲的能量,但是只要出现能量,不就可以认为有信息超光速传递了么?
因为有没有出射脉冲可以代表两种情形,不知道是否可以这么理解?
| 发表时间：2004-03-22, 00:21:47 |
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星空浩淼
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Re: 关于超光速问题
王力军那个实验现在名声不是很好，尽管在Nature上发表了。如果你想研究超光速，他的那个实验，我觉得意义不大。
1）首先要分清，相速，群速，能速，波前速度和信号速度，五者定义是不同的，尤其是后面四个，不能混为一谈。一般来说，是否违背因果律，取决于信号速度是否超光速。只有这个，才是导致因果悖论之源。前面谈到的量子力学中的类空过程，不包含信号速度超光速的过程，所以因果律被人们“想方设法”地保留下来。当然，经典的狭义相对论似乎意味着，能量速度，信号速度都不能超光速；
2）以电磁波为例，只有在非色散媒质中，它的群速，能速，波前速度和信号速度四者相等；而在色散媒质中，又分为正常色散媒质和反常色散媒质。在正常色散媒质，群速，能速，波前速度和信号速度等小于相速度，而且四者常常相等，而相速度可以超过光速。在反常色散媒质中，则比较复杂，此时群速可以大于相速，并且可以超光速甚至为负，但此时它既不代表能速，也不代表信号速度；
3）王力军那个实验其实就是观察到反常色散媒质中群速为负的现象，不是超光速。这一点还是中文出了问题：Superluminal这个单词，有时候应该翻译成“反常光速”“异常光速”更合适，它不光指“大于光速”，也包括“电磁波速度为负”这种“超出一般”的行为。国内有人指出那不应该是Superluminal现象，而是负群速现象，其实是这些国内人对Superluminal这个单词的意思理解狭义所致（可惜字典上就只有这种狭义的意思）。
然而，王力军那个实验没有多少理论上新发现的意义，因为反常色散媒质中群速为负的现象早在一百年前人家就在理论上给出了，并不希奇。
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| 发表时间：2004-03-22, 04:37:26 |
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流云
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Re: 关于超光速问题
星空兄，牛顿的那个老问题我还是没弄明白。
牛顿说：如果人的速度和光速一样快，人能看见光吗。
我想问你，如果人和光速一样快，我们是不是看见半边黑暗，半边光明？
就是光到过的地方是光明的，光没到过的地方是黑暗的。是不是这样的呢？
给心灵一个停留的港湾。
| 发表时间：2004-03-22, 05:14:40 |
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星空浩淼
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Re: 关于超光速问题（兼谈tunneling time)
接着上面那个帖子说。
正如我在前面第一个帖子里说的，或许真正有点意义的超光速现象，还是在粒子的势垒隧穿过程中的超光速过程。
当粒子穿越高度比粒子能量高的势垒时，粒子依靠没有经典对应的纯量子力学效应，仍然有一定概率穿越这个势垒（如果是两个势垒前后合理安放，产生共振隧穿，那么穿透概率可以达到100%）。按照经典力学，当粒子在势垒内部时，粒子的动能加势能之和为负，于是动量为虚数，计算粒子穿过势垒所花的时间也为虚数值。这只能表明，经典力学的描述方法在这里失效。
开始人们认为，粒子穿透势垒是不需要花时间的（就如同人们简单地认为一些量子跃迁过程不需要花时间一样）。但这个让人们怀疑，毕竟狭义相对论也不容许。后来人们开始面对这个问题而不再简单地逃避。然而这个问题困难重重。首先，时间在量子力学中不象空间坐标或空间位移那样，可以作为一个力学量算符。时间在这里只是一个参数，因此似乎失去了计算的基础（这与狭义相对论不协调：1）在Lorentz变换下，作为动力学变量的空间坐标，可是要产生出时间分量的！2）四维角动量张量中，时间跟空间是平等的，都是力学量——该张量的时空分量，对于带电荷粒子而言，将与它的电矩对应，该张量的纯空间分量，则与磁矩对应）。如果强行将时间上升为力学变量（算符），则Pauli证明了，这将与能量的非负性相矛盾。不过本人认为这个矛盾只是表观的，不成为一个问题。
后来人们开始研究隧穿时间（tunneling time),到目前为止，形成三个主要流派：1）波包散射法。这是基于波的观点，计算群速来求运行时间的。2）运动路径法。包括利用Feynman的路径积分方法来求。不过，利用Feynman的路径积分方法来求平均值，很容易有乱用之嫌。总之那里算出的时间是复数时间。3）时钟法。让隧穿粒子拥有自己的“时钟”，测量势垒两边的时钟读数，相减即得所需值。方法是，选用电子之类的自旋1/2粒子，在势垒区外加无穷小磁场，电子初始自旋极化方向与运动方向和外加磁场方向垂直，则电子在势垒区运动时，外加磁场使之极化方向产生拉莫进动，总进动量与电子在势垒区呆的时间成正比。
电磁波在真空波导（我用“真空”一词，表明这是非色散媒质中，与王力军的实验有本质区别）内传播时，如果波导横截面尺寸足够小，使成为截止波导。此时截止波导就成为光子的势垒（高度大于光子能量），光子在波导中的传播，对应势垒穿透过程。由于光子是Bose字且不带荷，实验时可以大量光子同时参与（穿透是概率性的，单个电子实验起来不具备可行性）。因此人们用这个作为实验手段来测量tunneling time。
多个国家不同实验小组先后发现，量子隧穿过程是超光速的，跟先前的理论预言一致。比较有名的是光子赛跑实验：让同一个源产生的两个光子分别通过两个不同路径到达探测器，两路径长度相等，但其中一个包含一个势垒区，而另一个只是经过相同长度的真空区。结果发现，通过势垒区的那个光子先行到达探测器。
站长让我介绍一下自己眼下从事的工作，上面算是一个交代吧！
但愿在这个论坛里大家能踊跃讨论。我觉得，大家不要担心自己说错了遭人笑话。每个人都有长处和短处，都有知道的多点的和知识的盲区。每个人都有天才的想法和愚蠢肤浅的想法产生的时候，这些都很正常。即使那些科学大师，也有争论和众说纷纭的时候，也有犯低级错误的时候。大家不一定会最后意见统一，不一定谁说服谁，但是，在讨论和争论中，各有可取之处，相互有启发和提高。
今后如果有时间和精力，我会时不时来光顾一下。但愿这里成为一个越来越好的精神家园！！！
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| 发表时间：2004-03-22, 05:38:45 |
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stefanzhang
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Re: 关于超光速问题
谢谢你的答复，我本人现在不从事理论方面的研究，不过对一些基本问题一直很感兴趣。相对论要求能量、信息不能超过光速，一方面因为因果律的缘故，另一方面用于承载能量或信息的粒子本身只能是一些静止质量为零的粒子，其他粒子加速时质量都会趋于无穷大。除非不是通过直接传递粒子本身，而是通过湮灭，创生，或者坍缩，关联等方式实现超光速。
你说的那些实验，包括王立军的，应该都可以观测到超光速粒子，这本身不可以视为一种超光速运动吗（可以设计实验方案，利用超光速粒子的出现来反对相对论）？如果是，那么因果律岂非岌岌可危了？
| 发表时间：2004-03-22, 06:59:21 |
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卢昌海
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Re: 关于超光速问题
我再补充一点：我们通常说狭义相对论要求光速不变。更确切地讲狭义相对论 (Lorentz 群) 所要求的其实是存在一个唯一的不变速度(即与惯性参照系选择无关的速度)。在相对论中，这个速度是真空中的光速，而且这个速度不仅在同一时空点的不同惯性系里是一样的，在不同时空点上也是一样的，因为相对论是一个经典理论，在其中真空态是唯一的。但是在量子场论里，真空态本身就有结构，因此原则上“真空中”的光速是一个与真空态有关的量，只要这个量具有不变性(即在同一真空态下与惯性系的选择无关)，就不会破坏相对论的基本框架。
由于 Scharnhorst 效应我记得是在 Casimir 真空下出现的，因此以上补充有可能适用。等我看过那些相关论文后会在主页上写几篇文章，更系统地讨论这一话题。
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| 发表时间：2004-03-22, 10:05:06 |
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星空浩淼
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回流云和版主Re: 关于超光速问题
先回答可爱的流云妹 ：-）
你说的那个问题可能是爱因斯坦当年思考的不是牛顿思考的。不过人名只是一个代号，是谁不要紧，只要有这么个问题就行（我是不是有些象月光宝盒仙履奇缘里的唐憎？呵呵）
尽管人不可能跟光一样快，但我们还是可以这样假设。
1）假如我们不断加速，试图追赶光，结果我们会很沮丧地发现，光运动得总是那样快，我们看到光永远都是光速前进。即使到后来我们自己也到了光速，我们发现那光还是以光速相对于我们在前进——不过
2）如果我们自己不断加速，试图追赶光，结果发现光如果开始是紫色的，随着我们追赶，慢慢变成黄色的，变成红色的，然后就看不见了，成了不可见光。当然，如果我们的流云妹眼睛比我们一般人都厉害，只要是光，就看得见，那么你会看到光的波长越来越长，但光始终还是以光速相对于你在前进。当你也达到光速时，你会发现光的波长无穷长，或者说光的能量为零，此时，可能你什么也看不见，那光变得什么都没有了。
3）如果我们的流云妹耍赖，一定要坚持跟光并驾齐驱，那我可能觉得你看不见光，因为光的能量为零，消失得无影无踪。但是还有一种可能，那就是你可能进入了另外一个世界另一个宇宙，那个宇宙里可能有另外一个我在等着你。。。。。。等着准备回答你的问题。
有的人认为，可能光子里面是另一个时空里的宇宙（那个时空跟我们这个时空正交，互为“有”和“无”），而我们这个宇宙，不过是另外一个宇宙里的一个光子，如此类推。
回答该版版主：
王力军那个实验不违背因果律，我前面的帖子里已经解释过了。
其他的实验及其理论解释，尚在研究之中。不然，我就不会研究这个。
传递信息的物质，并非只有能量为零的粒子。原则上，任何物质的任何自由度都可以作为信息储存或信息传递的载体。
请站长纠正与补充，尤其是流云妹的那个问题。
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| 发表时间：2004-03-22, 10:08:03 |
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卢昌海
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Re: 关于超光速问题
关于流云MM的问题（假定流云MM就是那个跑得很快的人）：
首先，由于流云 MM 体重大于零，按照相对论，只可以跑得任意接近光速 (顺便提一下，跑得越快，体重就会变得越重，可要当心了 ... )，但无法完全达到光速，因此真正达到光速后可以看到什么，在相对论范围内是没有答案的 (从某种意义上讲，光速是相对论的一个“奇点”)。
我们可以讨论的是，当流云 MM 跑得非常接近光速时，可以看到什么？这时，除了星空兄提到的光波长变化 (Doppler 效应) 外，还有一个光行差效应。由于这种效应，流云 MM 会发现越来越多的星星 (包括那些原先在自己后方 - 除了正后方以外 - 的星星) 跑到了自己的前方，在前方形成绚丽无比的光亮，而后方的星空则会变得越来越稀疏。有点半边黑暗，半边光明的意味，但比这要复杂许多。
举个例子说，如果流云 MM 想要逃离客栈的话 (希望不会发生这样的事)，千万不能逃得太快，因为如果逃得太快了，客栈的灯光反而会赫然出现在前方！呵呵。:-)
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| 发表时间：2004-03-22, 10:28:34 |
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Re: 关于超光速问题
首先谈谈流云小朋友的问题，我在上面没有回答除了不存在和光速一样快的惯性系外还考虑了一种情况，就是当人与光都处于某种空间介质的情形，这是光速较小，人有可能达到并超过光速。因为这个我就没有回答这个问题。还有人能够看到光是因为有光反射到人的眼睛里，所以我不知道追光人怎么才能看到光？他必须借助于反射或者折射才能看到光不是吗？既然如此，那么当光和自己保持静止时，它又怎么可能散射或折射呢？所以我觉得在介质的情形下应该看不到才是。
再回答星空兄，我说得承载能量的粒子是指超光速情形，因为相对论限制，以光速运行的粒子静止质量就已经为零了更何况超光速？不过如果势垒贯穿是超光速的话，那么可能是一种例外。在这种情形下，电子在贯穿的时候速度也可能大于光速而不必使质量为无限大。
你说的实验，包括王立军的，我的想法是既然可以以超过光子的速度接收到能量，那么就可以利用这点来设计一些实验，从而破坏因果律。
卢兄的说法也许是正确的，光速只不过是真空情况下才如此，在其他任意情况下只要存在最大速度就可以满足相对论的要求。
| 发表时间：2004-03-22, 20:28:58 |
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同时谈几个问题
真是不同人有不同的考虑角度，众人拾柴火焰高啊！版主对流云的问题考虑别具一格。我们一般直接针对流云关心的问题本身，而忽略其条件真正实现起来的可行性。我们在晚上能看到射向远方的光束，尽管光束没有朝我们照过来，这是由于光束中的一些光被空气中的一些尘埃漫反射的缘故。
所以版主的考虑是个难题。媒质中粒子可以比该媒质中的光跑得快，但这不是流云的那个问题，尽管她没有说明。
斑竹的这句话“我说得承载能量的粒子是指超光速情形，因为相对论限制，以光速运行的粒子静止质量就已经为零了更何况超光速？”我看不明白。
王力军的那个实验，争议很多。不过本质上还是属于反常色散媒质中负群速现象，早在差不多一百年前就预言到了，此时的群速不代表能速和信号速度。具体分析起来很麻烦并且很专业。群速为负时如何理解，它的直观物理图象是怎样的，好象到目前为止没有哪个给出定论——我觉得这是理论物理学家们的失职！他们不关心这些比较具体偏实际应用的东西，从而不去认真分析，觉得标准模型建立之后，再也没有什么搞头，都跑去搞超出标准模型之外的东西去了。然而，也是有些基础需要重建，有些地方本可以有更多的基础分支，如果重新审视基础，重建一些新的东西，也许还会反过来为那些前沿的东西提供新的探索路径。尤其是量子力学基础，以及重整化的更完善替代方案等。都说标准模型很完善，那色禁闭还没有在理论上严格给出，Higgs粒子尚待发现。
卢兄说的那个超光速如果跟卡西米尔效应有关，那个超光速超出的量很小，好象是个几级修正给出的。他说的对，速度极限不一定是光速，任何速度都可以，只要有个速度不变原理就可以。
固体中的位错运动方程，满足固体中的"Lorentz变换”对称性，只需要将光速换成固体中的声速即可得到固体中的"Lorentz变换”。这令人想到，粒子可能是真空介质中的位错。另外电子的zitterwebegung现象，以及波导中的电磁波跟德布罗意物质波的色散关系类似的现象，感觉有质量的粒子都是没有质量的光速运动的场在口袋里面来回反射构成，我们相对于口袋运动时，就对应粒子在运动，也类似于频率大于截至频率的电磁波在波导内传播（频率与观察者相关）。总之是光速粒子的“之”字型运动对应有质量粒子的运动。电子的zitterwebegung现象就是给出这种物理图象的。
希望这些能兴奋起大家脑神经，例如让站长的天才脑袋运转起来产生一些新东西出来。
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| 发表时间：2004-03-23, 10:50:11 |
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stefanzhang
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Re: 关于超光速问题
嗬嗬，看了你的答复可以说修正了我的许多想法，你说电子是光子在口袋中的运动这种想法也很有意思，我不知道这算不是另一种“弦论”？反正光子之间的碰撞不是可以产生正负电子对么？但这似乎无法解释为什么电子的电荷必须和质子一样，而质子可是由夸克构成的哦。淡然，解决办法可以是——夸克也是光子的某种形态或者极化方式。这些都是玄想，看起来不会有什么价值。
我真正担心的是，在反常介质或势垒里面（姑且称之为超空间），如果可以超光速运动，那么就不可避免地带来不可克服的严重问题。
我的那句话可能有些问题，我是说根据相对论只有静止质量为0的粒子才能以光速运动，静止质量不为零的粒子连光速都达不到更何况超光速呢？
| 发表时间：2004-03-23, 20:30:58 |
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