2010-11-11 11:31:28
超光速研究的現狀與未來
人類何時才能實現遙遠的太空旅行夢想？如果有一艘超光速的飛船，也許一切問題就都有了答案。然而由於理論框架和實驗手段的局限，對超光速的看法一直存在爭議。中國傳媒大學的黃志洵教授從事超光速的研究多年，先後出版了“超光速研究 - 相對論，量子力學，電子學與信息理論的交匯點”（科學出版社，1999），“超光速研究新進展“（國防工業出版社，2002），”超光速研究的理論與實驗“（科學出版社，2004），”超光速研究及電子學探索“（國防工業出版社，2008）等4部學術專著，並分別在第11期和15期“前沿科學”上發表了“超光速宇宙航行的可能性”和“超光速實驗的一個新方案”兩篇論文。日前記者對黃志洵教授進行了專訪，試著為您揭開超光速的神秘面紗。
記者：大家都知道愛因斯坦的狹義相對論已說過光速不可超越。您為什麼仍然堅持進行超光速的研究？
黃志洵：2007年12月26日宋健院士在寫給國防科技大學譚暑生教授的信中有幾句話：“說光速不能超過使航天人很不安。有人講逛遍太陽系後我們無事可做了，怎麼宇航？“另一位航天專家，中國運載火箭研究院12所的老科學家林金教授在今年10月16日召開的第三屆現代基礎科學發展論壇上作學術報告時指出，傳統的相對論理論對航天領域中的有關問題未能給出滿意的答复。他用慣性導航理論進行計算證明，飛船相對於慣性坐標系做加速飛行只要時間夠長，飛船相對於慣性系的速度可以超過光速。
10月1日我國發射了嫦娥1號探月衛星，3年以後還將發射嫦娥3號，將來也會開展對火星和金星的探測。英國行星學家曾經預測，在我們的銀河系至少有不少於 3.5％的星球可能存在生命，而2010年9月，美國天文學家們的一項新發現似乎證明了他們的這一理論。卡耐基華盛頓研究所和加州大學的科學家們，用凱克 - 1光學望遠鏡 - 目前世界上最大的光學望遠鏡，發現距離太陽系 20光年遠的天秤座星群中存在著一個表面覆蓋著液態水以及具有引力的天體。科學家給這個天體命名為“五百八十一克”，它圍繞紅矮星葛利斯（的gliese）581公轉，自轉週期為 37天。這是科學家迄今為止發現的最適合生命存在的地外星球。然而，用現有的技術到達那裡至少需要35萬年之久。
不論是從國家長遠發展的戰略，還是人類探索地外文明的需要考慮，進行超光速研究都有非常重要的意義。當然，現在就談設計光速飛船或者超光速飛船還為時尚早，但是應該探討這件事的可能性。
記者：國際上進行超光速研究的進展如何？
黃志洵：美國的物理學家歐列克薩邁倫比蘭紐克和é攝氏度 ·喬治蘇達山在1962年，吉拉德費恩伯格在1967年分別提出：超光速運動的粒子不違反相對論物理學的任何基本準則。這樣一個假設的粒子可能放出類似於輪船渦流的契倫科夫輻射，因此可能被探測到。超光速粒子的質量可能是假想的，就比如-1的平方根是假想的一樣。
假如超光速粒子真的被證明是存在的，我們需要重新構想一下因果關係的概念，因為它們在某些情況下會在時間中逆行，所以對一名假想的觀察者來說，超光速粒子的輻射將以吸收出現。然而，帶有負能量的超光速粒子回到過去可以重新解釋為，帶有正能量的超光速粒子可以傳送到將來，通過這樣一個重新解釋可以避開因果關係法則。
Ĵ ·理查德高特在1973年提出，大爆炸之後，可能形成了一個三重宇宙，分別包括物質世界，反物質世界和超光速粒子構成的世界。蘇達山在1998年發表意見說：“有必要繼續尋找快子“，他相信總有一天會找到。
記者：您在論文中提出了小超光速和大超光速的概念，能不能解釋一下？
黃志洵：最近十幾年來，各國科學家做的一些超光速實驗，主要是用了兩個原理，一個是反常色散，另一個是消失態。正常色散是指物質的折射率隨頻率提高而加大，反常色散是指折射率隨頻率提高而減小。對於波的群速度而言，正常色散時是亞光速，反常色散時則有可能出現超光速。消失場或者消失波的特點是隨距離增加衰減很快但相位基本不變，它可能存在於截止波導中，也可能存在於雙三棱鏡的間隙中。上世紀 80年代中期，我提出了截止波導的量子理論模型，認為可以把截止波導當作勢壘。90年代初德國科隆大學教授尼米茲根據這個思想做成了群速超光速實驗。
總之，現在無論是利用反常色散還是消失態進行實驗的結果都是群速可以超光速，但超的不多。我把5倍以下的結果稱之為小超光速實驗。那麼什麼是大超光速實驗呢？我們都知道量子力學中有糾纏態現象，在糾纏態中一個光子可以瞬時影響另一個光子的特性。目前糾纏態中兩個光子的距離最遠可以達到 144公里。瑞士科學家通過實驗和計算，糾纏態中兩個光子之間相互影響的速度可以達到 104-107倍光速。除此之外，引力傳播和撓場傳播也是大超光速。
記者：您對現階段開展實驗研究的建議是什麼？
黃志洵：首先我們要承認超光速的可能性，也就是速度無極限，然後再來考慮怎麼實現的問題。實際上，只有相對論力學規定了速度的上限是光速，而牛頓力學和量子力學都沒有為速度規定上限。
假如我們希望將來能夠研製一艘超光速飛船，我們必須考慮不帶電的中性物質能否超光速的問題。1993年美國科學家做成的一個實驗對我們很有啟發。他們讓光子通過一個勢壘，使光子的速度在光速的基礎上又增加了70％。光子是中性的粒子，但不是物質粒子，必須設法使中子加速或者原子加速才有根本性的意義。
然而現在還沒有任何實驗能夠證明中性物質可以做超光速運動，因此現階段還是應該繼續進行帶電粒子的實驗。我要著重指出的是，如果要在大超光速方面進行實驗，那就必須要上升為國家戰略，組織多學科的科學家進行協同攻關。
記者：大家都知道愛因斯坦的狹義相對論已說過光速不可超越。您為什麼仍然堅持進行超光速的研究？
黃志洵：2007年12月26日宋健院士在寫給國防科技大學譚暑生教授的信中有幾句話：“說光速不能超過使航天人很不安。有人講逛遍太陽系後我們無事可做了，怎麼宇航？“另一位航天專家，中國運載火箭研究院12所的老科學家林金教授在今年10月16日召開的第三屆現代基礎科學發展論壇上作學術報告時指出，傳統的相對論理論對航天領域中的有關問題未能給出滿意的答复。他用慣性導航理論進行計算證明，飛船相對於慣性坐標系做加速飛行只要時間夠長，飛船相對於慣性系的速度可以超過光速。
10月1日我國發射了嫦娥1號探月衛星，3年以後還將發射嫦娥3號，將來也會開展對火星和金星的探測。英國行星學家曾經預測，在我們的銀河系至少有不少於 3.5％的星球可能存在生命，而2010年9月，美國天文學家們的一項新發現似乎證明了他們的這一理論。卡耐基華盛頓研究所和加州大學的科學家們，用凱克 - 1光學望遠鏡 - 目前世界上最大的光學望遠鏡，發現距離太陽系 20光年遠的天秤座星群中存在著一個表面覆蓋著液態水以及具有引力的天體。科學家給這個天體命名為“五百八十一克”，它圍繞紅矮星葛利斯（的gliese）581公轉，自轉週期為 37天。這是科學家迄今為止發現的最適合生命存在的地外星球。然而，用現有的技術到達那裡至少需要35萬年之久。
不論是從國家長遠發展的戰略，還是人類探索地外文明的需要考慮，進行超光速研究都有非常重要的意義。當然，現在就談設計光速飛船或者超光速飛船還為時尚早，但是應該探討這件事的可能性。
記者：國際上進行超光速研究的進展如何？
黃志洵：美國的物理學家歐列克薩邁倫比蘭紐克和é攝氏度 ·喬治蘇達山在1962年，吉拉德費恩伯格在1967年分別提出：超光速運動的粒子不違反相對論物理學的任何基本準則。這樣一個假設的粒子可能放出類似於輪船渦流的契倫科夫輻射，因此可能被探測到。超光速粒子的質量可能是假想的，就比如-1的平方根是假想的一樣。
假如超光速粒子真的被證明是存在的，我們需要重新構想一下因果關係的概念，因為它們在某些情況下會在時間中逆行，所以對一名假想的觀察者來說，超光速粒子的輻射將以吸收出現。然而，帶有負能量的超光速粒子回到過去可以重新解釋為，帶有正能量的超光速粒子可以傳送到將來，通過這樣一個重新解釋可以避開因果關係法則。
Ĵ ·理查德高特在1973年提出，大爆炸之後，可能形成了一個三重宇宙，分別包括物質世界，反物質世界和超光速粒子構成的世界。蘇達山在1998年發表意見說：“有必要繼續尋找快子“，他相信總有一天會找到。
記者：您在論文中提出了小超光速和大超光速的概念，能不能解釋一下？
黃志洵：最近十幾年來，各國科學家做的一些超光速實驗，主要是用了兩個原理，一個是反常色散，另一個是消失態。正常色散是指物質的折射率隨頻率提高而加大，反常色散是指折射率隨頻率提高而減小。對於波的群速度而言，正常色散時是亞光速，反常色散時則有可能出現超光速。消失場或者消失波的特點是隨距離增加衰減很快但相位基本不變，它可能存在於截止波導中，也可能存在於雙三棱鏡的間隙中。上世紀 80年代中期，我提出了截止波導的量子理論模型，認為可以把截止波導當作勢壘。90年代初德國科隆大學教授尼米茲根據這個思想做成了群速超光速實驗。
總之，現在無論是利用反常色散還是消失態進行實驗的結果都是群速可以超光速，但超的不多。我把5倍以下的結果稱之為小超光速實驗。那麼什麼是大超光速實驗呢？我們都知道量子力學中有糾纏態現象，在糾纏態中一個光子可以瞬時影響另一個光子的特性。目前糾纏態中兩個光子的距離最遠可以達到 144公里。瑞士科學家通過實驗和計算，糾纏態中兩個光子之間相互影響的速度可以達到 104-107倍光速。除此之外，引力傳播和撓場傳播也是大超光速。
記者：您對現階段開展實驗研究的建議是什麼？
黃志洵：首先我們要承認超光速的可能性，也就是速度無極限，然後再來考慮怎麼實現的問題。實際上，只有相對論力學規定了速度的上限是光速，而牛頓力學和量子力學都沒有為速度規定上限。
假如我們希望將來能夠研製一艘超光速飛船，我們必須考慮不帶電的中性物質能否超光速的問題。1993年美國科學家做成的一個實驗對我們很有啟發。他們讓光子通過一個勢壘，使光子的速度在光速的基礎上又增加了70％。光子是中性的粒子，但不是物質粒子，必須設法使中子加速或者原子加速才有根本性的意義。
然而現在還沒有任何實驗能夠證明中性物質可以做超光速運動，因此現階段還是應該繼續進行帶電粒子的實驗。我要著重指出的是，如果要在大超光速方面進行實驗，那就必須要上升為國家戰略，組織多學科的科學家進行協同攻關。
