关于超光速的问题

唐博论坛:关于超光速的问题
(2010-09-12 09:53:16)
           
关于超光速的问题
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   人们所感兴趣的超光速，一般是指超光速传递能量或者信息。根据狭义相对论，这种意义下的超光速旅行和超光速通讯一般是不可能的。目前关于超光速的争论，大多数情况是某些东西的速度的确可以超过光速，但是不能用它们传递能量或者信息。但现有的理论并未完全排除真正意义上的超光速的可能性。
   首先讨论第一种情况：并非真正意义上的超光速。
  1。切伦科夫效应媒质中的光速比真空中的光速小。粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质中的光速。在这种情况下会发生辐射，称为切仑科夫效应。这不是真正意义上的超光速，真正意义上的超光速是指超过真空中的光速。 
  2。第三观察者如果A相对于C以0.6c的速度向东运动，B相对于C以0.6c的速度向西运动。对于C来说，A和B之间的距离以1.2c的速度增大。这种"速度"--两个运动物体之间相对于第三观察者的速度--可以超过光速。但是两个物体相对于彼此的运动速度并没有超过光速。在这个例子中，在A的坐标系中B的速度是0.88c。在B的坐标系中A的速度也是0.88c。
  3。影子和光斑在灯下晃动你的手，你会发现影子的速度比手的速度要快。影子与手晃动的速度之比等于它们到灯的距离之比。如果你朝月球晃动手电筒，你很容易就能让落在月球上的光斑的移动速度超过光速。遗憾的是，不能以这种方式超光速地传递信息。 
   4。刚体敲一根棍子的一头，振动会不会立刻传到另一头？这岂不是提供了一种超光速通讯方式？很遗憾，理想的刚体是不存在的，振动在棍子中的传播是以声速进行的，而声速归根结底是电磁作用的结果，因此不可能超过光速。(一个有趣的问题是，竖直地拎着一根棍子的上端，突然松手，是棍子的上端先开始下落还是棍子的下端先开始下落？答案是上端。)
  5。相速度光在媒质中的相速度在某些频段可以超过真空中的光速。相速度是指连续的(假定信号已传播了足够长的时间，达到了稳定状态)的正弦波在媒质中传播一段距离后的相位滞后所对应的"传播速度"。很显然，单纯的正弦波是无法传递信息的。要传递信息，需要把变化较慢的波包调制在正弦波上，这种波包的传播速度叫做群速度，群速度是小于光速的。(译者注：索末菲和布里渊关于脉冲在媒质中的传播的研究证明了有起始时间的信号[在某时刻之前为零的信号]在媒质中的传播速度不可能超过光速。) 
  6。超光速星系朝我们运动的星系的视速度有可能超过光速。这是一种假象，因为没有修正从星系到我们的时间的减少(？)。
  7。相对论火箭地球上的人看到火箭以0.8c的速度远离，火箭上的时钟相对于地球上的人变慢，是地球时钟的0.6倍。如果用火箭移动的距离除以火箭上的时间，将得到一个"速度"是4/3c。因此，火箭上的人是以"相当于"超光速的速度运动。对于火箭上的人来说，时间没有变慢，但是星系之间的距离缩小到原来的0.6倍，因此他们也感到是以相当于4/3c的速度运动。这里问题在于这种用一个坐标系的距离除以另一个坐标系中的时间所得到的数不是真正的速度。 
  8。万有引力传播的速度有人认为万有引力的传播速度超过光速。实际上万有引力以光速传播。
  9。EPR悖论 1935年Einstein,Podolski和Rosen发表了一个思想实验试图表明量子力学的不完全性。他们认为在测量两个分离的处于entangled state的粒子时有明显的超距作用。Ebhard证明了不可能利用这种效应传递任何信息，因此超光速通信不存在。但是关于EPR悖论仍有争议。   
  10。虚粒子在量子场论中力是通过虚粒子来传递的。由于海森堡不确定性这些虚粒子可以以超光速传播，但是虚粒子只是数学符号，超光速旅行或通信仍不存在。 
  11。量子隧道量子隧道是粒子逃出高于其自身能量的势垒的效应，在经典物理中这种情况不可能发生。计算一下粒子穿过隧道的时间，会发现粒子的速度超过光速。(Ref: T. E. Hartman, J. Appl. Phys. 33, 3427 (1962))一群物理学家做了利用量子隧道效应进行超光速通信的实验：他们声称以4.7c的速度穿过11.4cm宽的势垒传输了莫扎特的第40交响曲。当然，这引起了很大的争议。大多数物理学家认为，由于海森堡不确定性，不可能利用这种量子效应超光速地传递信息。如果这种效应是真的，就有可能在一个高速运动的坐标系中利用类似装置把信息传递到过去。
Ref:W. Heitmann and G. Nimtz, Phys Lett A196, 154 (1994);A. Enders and G. Nimtz, Phys Rev E48, 632 (1993)   Terence Tao认为上述实验不具备说服力。信号以光速通过11.4cm的距离用不了0.4纳秒，但是通过简单的外插就可以预测长达1000纳秒的声信号。因此需要在更远距离上或者对高频随机信号作超光速通信的实验。
  12。卡西米(Casimir)效应当两块不带电荷的导体板距离非常接近时，它们之间会有非常微弱但仍可测量的力，这就是卡西米效应。卡西米效应是由真空能(vacuum energy)引起的。 Scharnhorst的计算表明，在两块金属板之间横向运动的光子的速度必须略大于光速(对于一纳米的间隙，这个速度比光速大10-24。在特定的宇宙学条件下(比如在宇宙弦[cosmicstring]的附近[假如它们存在的话])，这种效应会显著得多。但进一步的理论研究表明不可能利用这种效应进行超光速通信。
  Ref:K. Scharnhorst, Physics Letters B236, 354 (1990)S. Ben-Menahem, Physics Letters B250, 133 (1990)Andrew Gould (Princeton, Inst. Advanced Study). IASSNS-AST-90-25Barton & Scharnhorst, J Phys A26, 2037 (1993)
  13。宇宙膨胀哈勃定理说：距离为D的星系以HD的速度分离。H是与星系无关的常数，称为哈勃常数。距离足够远的星系可能以超过光速的速度彼此分离，但这是相对于第三观察者的分离速度。 
  14。月亮以超光速的速度绕着我们旋转！
  当月亮在地平线上的时候，假定我们以每秒半周的速度转圈儿，因为月亮离我们385，000公里，月亮相对于我们的旋转速度是每秒121万公里，大约是光速的四倍多！这听起来相当荒谬，因为实际上是我们自己在旋转，却说是月亮绕这我们转。但是根据广义相对论，包括旋转坐标系在内的任何坐标系都是可用的，这难道不是月亮以超光速在运动吗？
  问题在于，在广义相对论中，不同地点的速度是不可以直接比较的。月亮的速度只能与其局部惯性系中的其他物体相比较。实际上，速度的概念在广义相对论中没多大用处，定义什么是"超光速"在广义相对论中很困难。在广义相对论中，甚至"光速不?quot;都需要解释。爱因斯坦自己在《相对论：狭义与广义理论》第76页说"光速不变"并不是始终正确的。当时间和距离没有绝对的定义的时候，如何确定速度并不是那么清楚的。
  尽管如此，现代物理学认为广义相对论中光速仍然是不变的。当距离和时间单位通过光速联系起来的时候，光速不变作为一条不言自明的公理而得到定义。在前面所说的例子中，月亮的速度仍然小于光速，因为在任何时刻，它都位于从它当前位置发出的未来光锥之内。
  15。明确超光速的定义
  第一部份列举的各种似是而非的"超光速"例子表明了定义"超光速"的困难。象影子和光斑的"超光?quot;不是真正意义的超光速，那么，什么是真正意义上的超光速呢？在相对论中"世界线"是一个重要概念，我们可以借助"世界线"来给"超光速"下一个明确定义。
  什么是"世界线"？我们知道，一切物体都是由粒子构成的，如果我们能够描述粒子在任何时刻的位置，我们就描述了物体的全部"历史"。想象一个由空间的三维加上时间的一维共同构成的四维空间。由于一个粒子在任何时刻只能处于一个特定的位置，它的全部"历史"在这个四维空间中是一条连续的曲线，这就是"世界线"。一个物体的世界线是构成它的所有粒子的世界线的集合。
  不光粒子的历史可以构成世界线，一些人为定义的"东西"的历史也可以构成世界线，比如说影子和光斑。影子可以用其边界上的点来定义。这些点并不是真正的粒子，但它们的位置可以移动，因此它们的"历史"也构成世界线。
  四维时空中的一个点表示的是一个"事件"，即三个空间坐标加上一个时间坐标。任何两个"事件"之间可以定义时空距离，它是两个事件之间的空间距离的平方减去其时间间隔与光速的乘积的平方再开根号。狭义相对论证明了这种时空距离与坐标系无关，因此是有物理意义的。
  时空距离可分三类：类时距离：空间间隔小于时间间隔与光速的乘积；类光距离：空间间隔等于时间间隔与光速的乘积；类空距离：空间间隔大于时间间隔与光速的乘积。
  下面我们需要引入"局部"的概念。一条光滑曲线，"局部"地看，非常类似一条直线。类似的，四维时空在局部是平直的，世界线在局部是类似直线的，也就是说，可以用匀速运动来描述，这个速度就是粒子的瞬时速度。光子的世界线上，局部地看，相邻事件之间的距离都是类光的。在这个意义上，我们可以把光子的世界线说成是类光的。
  任何以低于光速的速度运动的粒子的世界线，局部的看，相邻事件之间的距离都是类时的。在这个意义上，我们可以把这种世界线说成是类时的。而以超光速运动的粒子或人为定义的"点"，它的世界线是类空的。这里说世界线是类空的，是指局部地看，相邻事件的时空距离是类空的。
  因为有可能存在弯曲的时空，有可能存在这样的世界线：局部地看，相邻事件的距离都是类时的，粒子并没有超光速运动；但是存在相距很远的两个事件，其时空距离是类空的。这种情况算不算超光速呢？
  这个问题的意义在于说明既可以定义局部的"超光速"，也可以定义全局的"超光速"。即使局部的超光速不可能，也不排除全局超光速的可能性。全局超光速也是值得讨论的。
  总而言之，"超光速"可以通过类空的世界线来定义，这种定义的好处是排除了两个物体之间相对于第三观察者以"超光速"运动的情况。尽管爱因斯坦认为，自然界中物质运动超光速是不可能的，可美国和德国的一些科学家经过十多年的认真观测，积累了足够多的数据证明：在真实的物质世界里，光速不是极限，有一种超光速粒子，在茫茫宇宙中是客观存在的。基于此，有人提出，“在宇宙空间中存在另一个由速度超过光速的粒子（称为‘快子’）组成的宇宙”。然而这是一种误解，真真切切存在于自然界中的超光速粒子，其实就是伽马粒子流。这种粒子流是由宇宙中高速运动的天体发生剧烈碰撞并引发核爆炸（超新星爆发）所辐射出的一种强电磁波。有报道称，哈勃太空望远镜曾记录了一次“宇宙中的伽马射线大爆发，在爆发之后一个月拍摄到一个神秘的‘火球’”。这一记录实际上是记录了100多亿光年外一次超新星爆发。我们不难看出，伽马射线源和光源同出一处，并且是同时发出的。由于伽马射线运动速度比光速快，在距离较远（100亿光年外）的情况下，就产生了时间差，由此也就不难比较出各自的快慢。早在七十年代前后，射电天文学家就发现，“宇宙中有4个致密的河外类星体射电源。河外射电星体有时会抛出一两对射电星云——射电子源，这似乎是一次猛烈爆炸引起的，它们高速分离，其中大约有半数出现超光速运动，甚至达到光速的5～10倍”。大量的观测表明，在一个巨大的伽马射线爆发之后衰萎的余光中，总有超新星爆发的光焰并有质量很大的物质存在。