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超越光速到底有沒有可能?

提問者:網友 2018-08-03
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超光速(faster-than-light, FTL或稱superluminality)會成為一個討論題目,源自于相對論中對于局域物體不可超過真空中光速c的推論限制,光速成為許多場合下速率的上限值。在此之前的牛頓力學并未對超光速的速度作出限制。而在相對論中,運動速度和物體的其它性質,如質量甚至它所在參考系的時間流逝等,密切相關,速度低于(真空中)光速的物體如果要加速達到光速,其質量會增長到無窮大因而需要無窮大的能量,而且它所感受到的時間流逝甚至會停止(如果超過光速則會出現“時間倒流”),所以理論上來說達到或超過光速是不可能的(至于光子,那是因為它們永遠處于光速,而不是從低于光速增加到光速)。但也因此使得物理學家(以及普通大眾)對于一些“看似”超光速的物理現象特別感興趣。 超光速存在嗎? 2000年7月,由于英國《自然》(Nature,2000,406:277)雜志發(fā)表了一篇關于“超光速”實驗的論文,引起了人們對超光速倒底是否存在的討論。其實對在介質中使光脈沖的群速度超過真空中光速c, 科學家們早有研究,而Nature中報道的這個實驗就是實現了這種想法。但是這并非是人們想象的那種所謂違反因果律(或者相對論)的超光速,為了說明這個問題,讓我們看一看由華人科學家王力軍所做的這個實驗。 光脈沖是由不同頻率、振幅、相位的光波組成的波包,光脈沖的每個成分的速度稱為相速度,波包峰的速度稱為群速度。在真空中二者是相同的,但是在介質中如我們所知道的存在如下的群速度與介質。 折射率的關系: vg = c / ng , ng = n + ω(dn/dω) 顯然在一定的情況下(如反常色散很強的介質)可以出現負的群速度,此時,光脈沖在介質中傳播比真空中花的時間短,其差ΔT = (L/v) - (L/c)達到絕對值足夠大時就可以觀察到“超光速”現象,即“光脈沖峰值進入介質以前,在另一邊已經有脈沖峰出射了”(由王力軍原文譯)。 那么這種超光速是不是違背因果率呢?我們仔細考查王的實驗就會發(fā)現,出射光脈沖雖然是在入射脈沖峰值進入介質之前出現的,但在這之前入射脈沖的前沿早已進入介質了(如圖),因此出射脈沖可以看作是由入射脈沖前沿與介質相互作用產生 的。其實王的實驗重要意義正在于實現了可觀測的負群速度的這一現象,而不是像媒體炒作的那樣發(fā)現了什么“超光速”,負的群速度在這里就不能理解為光的速度了,它也不是能量傳輸的速度。當然,這一實驗本身就說明我們人類
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