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超越光速到底有沒有可能?

問 提問者：網(wǎng)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(xué)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(zhì)，如質(zhì)量甚至它所在參考系的時間流逝等，密切相關(guān)，速度低于（真空中）光速的物體如果要加速達到光速，其質(zhì)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?xí)Ｖ梗ㄈ绻^光速則會出現(xiàn)“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(yuǎn)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(xué)家（以及普通大眾）對于一些“看似”超光速的物理現(xiàn)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(guān)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(zhì)中使光脈沖的群速度超過真空中光速c， 科學(xué)家們早有研究，而Nature中報道的這個實驗就是實現(xiàn)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(xué)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(zhì)中如我們所知道的存在如下的群速度與介質(zhì)。 折射率的關(guān)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(zhì)）可以出現(xiàn)負(fù)的群速度，此時，光脈沖在介質(zhì)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(xiàn)象，即“光脈沖峰值進入介質(zhì)以前，在另一邊已經(jīng)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(xì)考查王的實驗就會發(fā)現(xiàn)，出射光脈沖雖然是在入射脈沖峰值進入介質(zhì)之前出現(xiàn)的，但在這之前入射脈沖的前沿早已進入介質(zhì)了（如圖），因此出射脈沖可以看作是由入射脈沖前沿與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生 的。其實王的實驗重要意義正在于實現(xiàn)了可觀測的負(fù)群速度的這一現(xiàn)象，而不是像媒體炒作的那樣發(fā)現(xiàn)了什么“超光速”，負(fù)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?shù)乃俣取．?dāng)然，這一實驗本身就說明我們?nèi)祟?
回答者：網(wǎng)友
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