超光速
超光速（faster-than-light, FTL或稱superluminality）會成為一個討論題目，源自於相對論中對於局域物體不可能超過真空中光速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並未對超光速的速度作出限制。而在相对论中，运动速度和物体的其它性质，如质量甚至它所在参考系的时间流逝等，密切相关，速度低于（真空中）光速的物体如果要加速达到光速，其质量会增长到无穷大因而需要无穷大的能量，而且它所感受到的时间流逝甚至会停止（如果超过光速则可能会出现“时间倒流”），所以理论上来说达到或超过光速是不可能的（至于光子，那是因为它在真空中永远处于光速c，而不是从低于光速增加到光速）。但也因此使得物理学家（以及普通大众）对于一些疑似超光速的物理现象特别感兴趣。
但是在介质中，物体的运动速度超过介质中的光速则是可能的。因为光速在介质中会下降。这种情况下会产生一些特别的现象。假使物體帶電，則會發出藍色光為主的切连科夫辐射。
相對論出現後，超光速的意义出現在兩個領域，一個是物理上的(包括理論物理和實驗物理)以及天文學觀測方面，另一個是科幻方面，將相關條目條列如下：
目录 |
物理學與天文學上相關條目[编辑]
相對論[编辑]
，定義值為：299,792,458波動速度定義[编辑]
- 信号速度永遠不超過真空中的光速。
- 群速度與超光速：在一些特殊情況下，一個波動(例如光束)的群速度甚至也可以超過c。在這些例子中，會相伴出現的是強度的快速衰減。此脈衝的極大點可以用超過c的速度移動。然而相同地，這也不表示訊號或資訊的傳遞速度可以超過c；雖然有些人會將脈衝極大點與訊號關聯在一起而感到興奮，但目前認為這種關聯性想法是有所誤導的。原因在於：有脈衝到達的資訊可以在極大點到達前就已取得。舉例來說，如果存在有機制允許脈衝前段可以完全傳遞，而包含極大點以後的部份則會被強烈地衰減掉，則可以等效地認為脈衝極大點在時間上往前漂移(加快抵達)；而關於脈衝的資訊，其傳遞並沒有比無機制的狀況下來得快。
- →這段文字與當前的超光速實驗有關，另請參見。
量子力學[编辑]
- 量子纏結中進行量子測量的即時變化出現了廣域關聯性，似乎相距極遠的纏結粒子之間有超光速的「溝通」。有些學者認為可能可以利用之，以得到即時或超光速的「訊息」，但主流學界予以否定。對於量子纏結的超光速關聯看法，一些學者認為可能是哥本哈根學派的量子力學詮釋有缺陷所致，可能在一些其他的詮釋下能夠獲得圓滿的解決。
- 量子穿隧效應與超光速。
- 玻姆理論中的超光速。
實驗物理[编辑]
天文學與宇宙學[编辑]
- 超過光速的宇宙膨脹：宇宙膨脹使得遠距離的銀河系以超過c的速度彼此遠離，這個速度的度量是採用同移距離(comoving distance)與宇宙時間(cosmological time)來計算的。然而根據廣義相對論，一般所言的速度是個局域性質的標記，光速的限制也是針對這種定義下的速度。因此採用同移座標所算出的速度和局域座標的速度並不存在有任何簡單的關聯性。
- →這個概念與阿庫別瑞引擎所採的機制可說是相仿的，另請參見。
- 天文學觀測到的超光速：明顯的超光速運動在許多電波星系、類星體等等極遠星體可以觀測得到。這效應在觀測到前就已獲得預言，可以用光學幻覺來解釋，原因是星體移動方向和觀察者相同，但做速度計算時卻沒有如此設定。這現象並不違背狹義相對論。有趣地是，經過校正後的計算值顯示這些星體的速度是近光速的(相對於我們的參考系)，而且是大質量物體以近光速運動的第一例。在地表上的實驗室，我們尚未能夠將輕如基本粒子的物體加速到這樣的速度。
- 暴脹理論與光速可變理論[1][2]: 指宇宙大爆炸起初速度遠快於現在光速，又分為經典暴脹理論、混沌暴脹理論和光速可變理論。後者由喬奧·馬古悠提出的，認為是以相對論而言是時空結構先行於可見物體，而光是時空結構一部分，所以認為以當時物理條件來說，光仍是遠快於其他物體的擴張，只是光在其時遠比現在更快。而随着时间的改变，光速逐渐降低到现在的值。
廣義相對論與度規操控[编辑]
科幻作品的超光速[编辑]
距離地球最近的恆星系是半人馬座α星C（比鄰星），有4.2光年之遙，以光速來回對地球上的觀察者而言就要花上8.4年，更何況是次光速的航天器。
而科幻的舞台上很多是發生在比這距離還遠的星系間故事，如果確切遵守相對論，則這些故事就理應不該發生。科幻理論中常有方法或設定允許航天器迴避相對論限制，航行於廣闊太空的星際之間，而又不天馬行空地明顯違反物理學。
此外，星際間訊息傳遞也有相似的情況。
超光速的验证[编辑]
OPERA实验[编辑]
初始结果[编辑]
2011年9月22日，意大利科学家自称发现了超光速现象[3]。意大利格兰萨索国家实验室“奥佩拉”项目研究人员使用一套装置，接收730公里以外的从歐洲核子研究組織发射的中微子束的时候，发现中微子比光子提前60.7纳秒到达目的地[4]。此现象违背了爱因斯坦的相对论[5]。目前，意大利科学家对这一发现保持谨慎的态度，并称如果确有其事，物理学理论体系将会重建。另据中国CCTV报道，猜测这些中微子可能通过其它的高于三维的空间维度抄近道到达目的地。
實驗是由位于意大利中部山区的格兰萨索国家实验室（LNGS），以及位於瑞士日内瓦的全球最大粒子物理研究實驗室歐洲核子研究组织（European Centre for Nuclear Research, CERN）合作進行。CERN在日內瓦附近的地下粒子加速器，會發射出能夠貫穿地底的中微子，而意大利的格兰萨索实验室，則利用一個名為OPERA的地下偵測裝置，嘗試「捕捉」這些中微子。宇宙中存在大量中微子（neutrino），但很難觀測，因此有「鬼粒子」稱號。經過3年實驗努力，意大利物理学家合共偵測了16,111次“通过地壳从CERN射向LNGS”的“中微子作用事件”。研究員表示，兩地相距730公里，理論上光要花2.3毫秒（1毫秒即千分一秒）才能跑完，但他們發現，射來的中微子，比光子還快了60.7納秒（1納秒即十億分一秒），其中包含±6.9纳秒的统计误差和±7.4纳秒的系统误差。換言之，光速每秒為接近30萬公里，但中微子每秒能比其跑多7.44公里；中微子比光速還要快2.48×10-5（大约40322.58分之一）。
重定义的结果[编辑]
2011年11月17日, OPERA小组发布了一个重定义的结果，进一步缩小了误差范围。测量结果是中微子大约较早到达57.8纳秒, 得出一个相对的速度差约为42194.09分之一。 新的显著性水平成为6.2σ。[6] 这个小组已经提交实验结果到高能物理期刊进行同行评审。[7][8]
同样在这篇论文中, OPERA小组又发布了一个附加分析，基于有意设置的质子束生成的独立的CNGS中微子束， 从2011年10月21日到11月6日。[9] 他们度量了20次中微子侦测事件，标示出中微子比光早到达62.1纳秒, 与主分析的结果一致。但在2012年2月，权威科学期刊《科学》官网披露，一位熟悉实验的匿名人士透露，中微子之所以比光速快，是因为连接GPS信号接收器的光纤“接触不良”。
OPERA项目随后对外发表声明称，他们找到了两个可能“严重”影响实验结果的问题。第一个问题出在位于GPS同步之间，给中微子运行制造时间标签的振荡器；第二个问题则出在将外部的GPS信号传输到OPERA主时钟的光纤连接上。这两个问题能影响中微子的飞行时间。[6]
实验结果一览[编辑]
| 较早到达 (盲目分析) |
修正 | 中微子能量 | 较早到达 | 速度差 | 绝对速度差 |
|---|---|---|---|---|---|
| 9月主分析 (16111次中微子事件, 2009 — 2011) | |||||
| 1048.5 纳秒 | -987.8 纳秒 | 17 GeV | (60.7 ± 6.9 (统计误差) ± 7.4 (系统误差)) 纳秒 | (2.48 ± 0.28 (统计误差) ± 0.30 (系统误差))×10-5 | ∼7.4 千米/秒 |
| 9月相关分析 (能量依赖性) | |||||
| 13.9 GeV | (53.1 ± 18.8 (统计误差) ± 7.4 (系统误差)) 纳秒 | 与主分析一致; 无显著的能量依赖[10] |
|||
| 42.9 GeV | (67.1 ± 18.2 (统计误差) ± 7.4 (系统误差)) 纳秒 | ||||
| 28.1 GeV (平均) |
(60.3 ± 13.1 (统计误差) ± 7.4 (系统误差)) 纳秒 | ||||
| 11月主分析 (15223次中微子事件, 2009 — 2011) | |||||
| 1043.4 纳秒 | -985.6 纳秒 | 17 GeV | (57.8 ± 7.8 (统计误差) +8.3 −5.9 (系统误差)) 纳秒 |
(2.37 ± 0.32 (统计误差) +0.34 −0.24 (系统误差))×10-5 |
∼7.1 千米/秒 |
| 11月相关分析 (能量依赖性) | |||||
| 13.8 GeV | (54.7 ± 18.4 (统计误差) +7.3 −6.9 (系统误差)) 纳秒 |
与主分析一致; 无显著的能量依赖[11] |
|||
| 40.7 GeV | (68.1 ± 19.1 (统计误差) +7.3 −6.9 (系统误差)) 纳秒 |
||||
| 28.2 GeV (平均) |
(61.1 ± 13.2 (统计误差) +7.3 −6.9 (系统误差)) 纳秒 |
||||
| 11月附加分析 (20次中微子事件, 2011-10-22 — 2011-11-6) | |||||
| (62.1 ± 3.7 (统计误差)) 纳秒 | 与主分析一致 | ||||
相關條目[编辑]
参见[编辑]
参考资料[编辑]
- ^ 馬古悠（J Magueijo）《比光速還快》(Faster than the speed of light)，簡體中譯本由湖南科學技術出版社出版，isbn 7535742351
- ^ [1]
- ^ [2]意大利科学家发现超光速中微子挑战相对论
- ^ [3]意科学家发现超光速中微子 每秒多“跑”6公里
- ^ [4]“超光速”粒子挑战相对论
- ^ 6.0 6.1 T. Adam et al. (OPERA collaboration). Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam. arXiv:1109.4897 [hep-ex]. 22 September 2011. See (arXiv:1109.4897v1) published 22 September, and (arXiv:1109.4897v2) published 17 November.
- ^ Edwin Cartlidge. Faster-Than-Light Neutrinos: OPERA Confirms and Submits Results, But Unease Remains. Science. 17 November 2011 [17 November 2011].
- ^ Alok Jha. Neutrinos still faster than light in latest version of experiment. The Guardian. 17 November 2011 [17 November 2011].
- ^ A new proton spill from CERN to Gran Sasso. CERN Bulletin. 7 November 2011 [12 November 2011].
- ^ 请参阅OPERA论文的9月版本(v1)第20页
- ^ 请参阅OPERA论文的11月版本(v2)第25页
外部鏈接[编辑]
- superluminal velocity fusing with Einstein special relativity
- Encyclopedia of laser physics and technology on "superluminal transmission", with more details on phase and group velocity, and on causality
- July 22, 1997, The New York Times Company: Signal Travels Farther and Faster Than Light
- Markus Pössel: Faster-than-light (FTL) speeds in tunneling experiments: an annotated bibliography
- The Warp Drive: Hyper-Fast Travel Within General Relativity, Miguel Alcubierre Class. Quantum Grav. 11 (1994), L73–L77
- A systemized view of superluminal wave propagation
- Relativity and FTL Travel FAQ
- Usenet Physics FAQ: is FTL travel or communication Possible?
- Superluminal
- Relativity, FTL and causality
- Subluminal—Java applet demonstrating group velocity information limits
- Conical and paraboloidal superluminal particle accelerators
- Relativity and FTL (=Superluminal motion) Travel Homepage
- Advanced Interstellar Propulsion How to Travel Extreme Distances in Space. Past, Present and Proposed ideas of interstellar travel.
- 中微子超光速，都是光纤惹的祸
