超光速的试验课件.ppt

1、 光光1 光的干涉、衍射和偏振实验光的干涉、衍射和偏振实验-光的波动性光的波动性2 光电效应实验光电效应实验-光的粒子性光的粒子性3 单光子分光实验单光子分光实验-光子不可分光子不可分 3.1 一个光子分为反射光和透射光一个光子分为反射光和透射光 3.2 透射光通过多个分光器透射光通过多个分光器 3.3 反射光和透射光汇聚于第二个分光器反射光和透射光汇聚于第二个分光器1.一个光子分为反射光和透射光一个光子分为反射光和透射光2.透射光通过多个分光器透射光通过多个分光器 透射光通过多个分光器透射光通过多个分光器经典的随机性可通过获取其信息而成为确定，经典的随机性可通过获取其信息而成为确定，如掷一次

2、硬币，掷前每一面朝上的几率都是如掷一次硬币，掷前每一面朝上的几率都是1/2；掷后若朝上的一面的几率为掷后若朝上的一面的几率为1，则另一面朝上的几率为则另一面朝上的几率为0；量子随机性不可移去，量子随机性不可移去，如一个光子经过一次分光器后，如一个光子经过一次分光器后，透射光仍有透射光仍有1/2的几率再一次被透射，的几率再一次被透射，1/2的几率再一次被反射。的几率再一次被反射。3.反射光和透射光汇聚于第二个分光器反射光和透射光汇聚于第二个分光器在两条光路相等的情况下，D（1）以100%的几率探测到，D（2）以0%的几率探测到。当光到达第二个半镀银的玻璃片当光到达第二个半镀银的玻璃片M M（2

3、2）之前，）之前，用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉，用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉，光子以光子以1/21/2的几率被探测器的几率被探测器D D（1 1）和）和D D（2 2）所接收）所接收. . 当光到达第二个半镀银的玻璃片当光到达第二个半镀银的玻璃片M M（2 2）之前，）之前，用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉，用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉，光子以光子以1/21/2的几率被探测器的几率被探测器D D（1 1）和）和D D（2 2）所接收）所接收. .以此，以此，可以进行可以进行 量子无损害测量量子无损害测量，可以作为可以作为 量子计算机的基本元件量子计算机的基本元件。

4、光速光速0 0 前言前言1 1、关于光速、关于光速2 2、一些实验结果、一些实验结果3 3、超光速理论超光速理论4 4光速仍是信息速度的极限光速仍是信息速度的极限 的最新实验根据的最新实验根据5 5、评述、评述运动速度超过光速的现象运动速度超过光速的现象称为称为超光速现象超光速现象或或超光速效应超光速效应，简称简称“超光速超光速（superluminalsuperluminal）”。超光速运动的粒子称为超光速运动的粒子称为超光速粒子超光速粒子，或或快子快子（tachyontachyon）。）。在其中出现在其中出现“超光速超光速”现象的介质现象的介质称为称为“快光快光（fast-lightfas

5、t-light）”物质物质。光脉冲在光学介质中传播的速度光脉冲在光学介质中传播的速度没有没有精确的定义。精确的定义。任何脉冲都是任何脉冲都是一些具有不同频率一些具有不同频率 的正弦基波的正弦基波的组合。的组合。单个正弦基波在光学介质中传播，单个正弦基波在光学介质中传播，具有确定的相速度具有确定的相速度v =c/n( )，其中其中c为真空中的光速，为真空中的光速，n( )为该光学介质的折射率，为该光学介质的折射率，对于不同的频率对于不同的频率 有不同的折射率，有不同的折射率，因而有不同的相速度。因而有不同的相速度。光脉冲在光学介质中传播的近似理论，光脉冲在光学介质中传播的近似理论，脉冲的波峰的传

6、播速度为群速度脉冲的波峰的传播速度为群速度vg=c/ng, 其中群折射率ng=n+dn/d|=，为波包的中心频率。dn/d是光学物质的色散。 Re2Re211cvg在典型的光学物质中，在典型的光学物质中，存在一个狭窄的光谱区域，存在一个狭窄的光谱区域，出现出现dn/d = = （1/1/ 2 2）（）（| | 1 1(+)(+) | | 2 2(-) (-) + |+ | 1 1(-)(-) | | 2 2(+)(+)） 假设这两个粒子从源产生的时候总动量为零，假设这两个粒子从源产生的时候总动量为零，它们沿相反的方向自由运动。它们沿相反的方向自由运动。两个粒子在两个粒子在分开分开前有相互作用，

7、分开后设没有。前有相互作用，分开后设没有。这两个粒子组成的系统的状态用这两个粒子组成的系统的状态用| | 1 1 | | 2 2 表示。表示。第一个粒子的自旋为第一个粒子的自旋为+1/2+1/2，则第二个应为，则第二个应为-1/2-1/2，这种情况表示为这种情况表示为| | 1 1(+)(+) | | 2 2(-)(-)，第一个粒子的自旋为第一个粒子的自旋为-1/2-1/2，第二个为，第二个为+1/2+1/2，这种情况表示为这种情况表示为| | 1 1(-)(-) | | 2 2(+)(+)。只有这两种情况，因此只有这两种情况，因此 量子超空间传输的实验量子超空间传输的实验已在已在199719

8、97年实现了年实现了（见见NatureNature,390,575.1997,390,575.1997）。 量子隐形传态量子隐形传态（teleportation）20002000年，年，Nature发表潘建伟等的发表潘建伟等的实验结果，实验结果，证明三个光子的纠缠态的证明三个光子的纠缠态的量子非局域性量子非局域性1。1 Jian-Wei Pan, Dik Bouwmeester, Matthew Daniell, Harald Weinfurter and Anton Zeilinger，Experimental test of quantum nonlocality in three-pho

9、ton GHZ entanglement，Nature， 3 February 2000, Vol. 403, No. 6769, p. 515 2.2.量子隧穿与超光速量子隧穿与超光速 1993年，加利福尼亚大学伯克利分校的Raymond Chiao证明：量子理论还允许另一种超光速旅行存在：量子隧穿。 ChiaoChiao通过测量可见光光子通过测量可见光光子通过特定过滤器的隧穿时间，通过特定过滤器的隧穿时间，证明了证明了“超光速超光速”隧穿效应的存在。隧穿效应的存在。结果隧穿光子先到达探测器，结果隧穿光子先到达探测器，证明它们穿越过滤器的速度证明它们穿越过滤器的速度可能为光速的可能为光速的1

10、.71.7倍。倍。 3.3.使光速变慢甚至完全停止使光速变慢甚至完全停止 19981998年美国哈佛大学的年美国哈佛大学的Lene Vestergaard HauLene Vestergaard Hau宣布，宣布，她把光速降到了每秒她把光速降到了每秒1717米。米。20012001年，她使光完全停止了。年，她使光完全停止了。她的研究小组所用的材料，她的研究小组所用的材料，是处于玻色爱因斯坦凝聚态的物质。是处于玻色爱因斯坦凝聚态的物质。 2001年年1月月19日日Nature发表了发表了Hau领导的小组领导的小组1和R.L. Walsworth 和 D. Lukin2分别独立地完成将光停下来的实

11、验分别独立地完成将光停下来的实验。1 Chien Liu, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Lene Vestergaard Hau, Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses, Nature, 409, 490-493(2001)2 Michael M. Kash, Vladimir A. Sautenkov, Alexander S. Zibrov, L. Hollberg, George R. We

12、lch, Mikhail D. Lukin, Yuri Rostovtsev, Edward S. Fry, and Marlan O. Scully，Ultraslow Group Velocity and Enhanced Nonlinear Optical Effects in a Coherently Driven Hot Atomic Gas，Phys. Rev. Lett. 82, 5229 (28 June 1999)； Ronald L. Walsworth 和 Mikhail D. Lukin， Phy. Rev. Letts., 20014.4.天文学中的超光速现象天文学中

13、的超光速现象 类星体有时喷出类星体有时喷出速度比光速快得多的喷流。速度比光速快得多的喷流。宇宙在膨胀，宇宙在膨胀，星系彼此远离。星系彼此远离。星系之间距离越远，星系之间距离越远，互相分离的速度越大。互相分离的速度越大。如果星系之间足够远，如果星系之间足够远，它们退行的速度就比光还快。它们退行的速度就比光还快。 5.5.宇宙暴涨与超光速宇宙暴涨与超光速 如果光速是任何信号传递速度的上限，如果光速是任何信号传递速度的上限，相距遥远的区域就不能达到热平衡。相距遥远的区域就不能达到热平衡。因为没有任何东西能够因为没有任何东西能够在大爆炸发生以后走完这段距离。在大爆炸发生以后走完这段距离。而如果两个区域

14、不能交换热量，而如果两个区域不能交换热量，它们也就不会达到相同温度。它们也就不会达到相同温度。但宇宙在大尺度上是相当均匀的。但宇宙在大尺度上是相当均匀的。宇宙曾经历了宇宙曾经历了超光速超光速的的暴涨时期。暴涨时期。 6. 脉冲脉冲“超光速超光速”的实验的实验1美国普林斯顿大学研究员王理军2，最近利用光脉冲通过一个充满特制铯气的密封容器，结果出现不寻常现象，该束光脉冲竟然几乎“同一时间”在容器两端不分先后地出现，并到达容器以外60英尺处。速度达到每秒18.6万英里，相当于光速300倍，这是一项重大发现。在经典物理学的范围内，依据爱因斯坦的相对论，包括迄今为止的所有实验结果均确认，真空中光的速度是

15、物体速度的极限。在量子物理学中，量子的非定域性（non-locality）（曾被看作是奇怪的、超光速的“超距作用”）和量子远距传态（teleportation）等，近年已为实验所证明。但是还未发现信息传播的速度超过真空中的光速。出射光脉冲在入射脉冲峰值进入介质之前出现，出射光脉冲在入射脉冲峰值进入介质之前出现，但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了。但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了。 王理军王理军（Lijun Wang）博士是美国普林斯顿大学NEC物理科学研究所的华裔科学家（1992年美国Rochester大学物理学博士）。他说，量子力学的最重要的结论之一是我们必须接受“测量的精度在客观

16、上存在一个限制”的事实。我的研究兴趣在证认这种限制的许多不同的方面.我的部分研究将指向光学技术的应用方面。王理军在他的博士学位学习期间的研究是在量子光学和激光物理方面。他在Duke大学的博士后研究工作是关于光与物质的相互作用以及原子的操作。他最近作的工作是观察光脉冲的超亮传播（superluminal propagation）。这一工作结果2000年在英国自然（Nature）杂志。1 L. J. Wang, A. Kuzmich & A. Dogariu, Gain-assisted superluminal light propagation, NATURE, VOL 406,20 JULY

17、 2000,2王理军博士自述：王理军博士自述：王理军（Lijun Wang），美籍华人，美国普林斯顿大学，NEC物理科学研究所研究科学家，1992年美国Rochester大学物理学和天文学博士。量子力学的最重要的结论之一是我们必须接受“测量的精度在客观上存在一个限制”的事实。我在量子光学的部分研究兴趣是证认这种限制的各个方面。自从我早在大学生时就读Hanbury Brown和Twiss的论文,我被量子光学吸引了。我其后有了一些令人激动和有成效的研究经验。我的部分研究更多的是在光学技术的应用方面。作为NECI的研究科学家，在如此的理想的环境进行这些研究是一优惠。在博士学习期间的研究领域是量子光学

18、和激光物理。在Duke大学作博士后的工作期间的研究领域是光与物质的相互作用以及原子的操作。在加入NECI 以前,在研究所和一般原子的高等技术部的高级科学家,在哪儿是一位多才多艺的应用物理学家。DR.LIJUN WANG，NEC RESEARCH INSTITUTE, INC. 3. 3.超光速理论超光速理论黄志询. 超光速研究M. 北京: 科学出版社. 1999；黄志询. 超光速研究新进展M. 北京: 国防工业出版社. 2002；张 操:. 修正的相对论和引力理论M. 北京: 中国原子能研究院. 2000；曹盛林. 芬斯勒时空的相对论和宇宙论M. 北京: 北京师范大学出版社. 2001；艾小白

19、. 超光速运动的过去、现在和未来J. 自然杂志，2001，23（6）：311 第二届电磁波波速学术会议第二届电磁波波速学术会议20022002年年5 5月月25-2625-26日，日，第二届电磁波波速学术会议在北京举行。第二届电磁波波速学术会议在北京举行。中国电子学会电磁波波速专家工作组主办，中国电子学会电磁波波速专家工作组主办，组长黄志询教授作了题为组长黄志询教授作了题为“近年来国外的超光速实验近年来国外的超光速实验”的报告，的报告，美国阿拉巴马大学张美国阿拉巴马大学张 操教授作了题为操教授作了题为“超光速运动和狭义相对论的局限性超光速运动和狭义相对论的局限性”的报告，的报告，共有共有111

20、1人作了学术报告，人作了学术报告，这些报告汇集成这些报告汇集成第二届电磁波波速学术会议论文专集第二届电磁波波速学术会议论文专集（北京石油化工学院学报（北京石油化工学院学报20022002第第4 4期）于期）于20022002年年1212月出版。月出版。 4 4光速仍是信息速度的极限的光速仍是信息速度的极限的 最新实验根据最新实验根据 4 41 1证明证明LORENTZLORENTZ不变性不变性的新实验的新实验 4 42 2现代版的现代版的MichelsonMichelson-Morley-Morley实验实验 4 43 3光速仍是信息速度的极限光速仍是信息速度的极限4.1 4.1 证明证明LO

21、RENTZLORENTZ不变性不变性的新实验的新实验国际空间站的低温铯原子钟国际空间站的低温铯原子钟（号称世界上最好的（号称世界上最好的, NIST F-1, 精度达精度达10-15）实验与地面实验比较，实验与地面实验比较，证明证明LORENTZ不变性和狭义相对论不变性和狭义相对论*，精度达精度达10-17。* Bluhm et al., Physical Review Letters, 4 March 2002. 4.2 4.2 现代版的现代版的MichelsonMichelson-Morley-Morley实验实验20032003年年2 2月月5 5日，日，美国物理学会报道，美国物理学会报

22、道，Stanford Stanford 大学的物理学家大学的物理学家John John LipaLipa小组小组进行的现代版的进行的现代版的MichelsonMichelson-Morley-Morley实验，实验，证明证明LORENTZLORENTZ不变性和不变性和狭义相对论仍然成立狭义相对论仍然成立* *。 * Lipa et al., Physical Review Letters, 2003，Feb. 4.3 真空中的光速仍是速度极限真空中的光速仍是速度极限 自从爱因斯坦提出相对论以来，人们对确定物体的自从爱因斯坦提出相对论以来，人们对确定物体的速度极限是否等于真空中的光速一直很感兴趣

23、。速度极限是否等于真空中的光速一直很感兴趣。所以关于光脉冲的群速度（一组频率几乎相同的波所以关于光脉冲的群速度（一组频率几乎相同的波的群体速度）可超过真空中光速的报道引起广泛讨的群体速度）可超过真空中光速的报道引起广泛讨论就不足为奇了。论就不足为奇了。2003年年10月，月，Nature发表发表Stenner等人的实验结果等人的实验结果首次证明，对在群速度超过真空中光速的一种介质首次证明，对在群速度超过真空中光速的一种介质中传播的脉冲来说，信息的传播速度慢于光速。这中传播的脉冲来说，信息的传播速度慢于光速。这项工作证实了真空中光速仍是速度极限，并提出了项工作证实了真空中光速仍是速度极限，并提出

24、了加快通信系统的发展、以使信息传播速度接近光速加快通信系统的发展、以使信息传播速度接近光速的方法。的方法。1 MICHAEL D. STENNER, DANIEL J. GAUTHIER & MARK A. NEIFELD, The speed of information in a fast-light optical medium , Nature 425, 695 - 698 (16 October 2003); 光脉冲在光学介质中传播的速度是没有精确的定义的，因为任何脉冲都是一些具有不同频率的正弦基波的组合。单个正弦基波在光学介质中传播具有确定的相速度v=c/n()，其中c为真空中的光

25、速，n()为该光学介质的折射率，因此对于不同的频率有不同的折射率，因而有不同的相速度。脉冲的波峰的传播速度为群速度vg=c/ng, 其中群折射率ng =n+dn/d|=，为波包的中心频率。dn/d是光学物质的色散。在典型的光学物质中，存在一个狭窄的光谱区域，出现dn/d 0，即所谓反常色散。ng可能小于1甚至（当反常色散很大时）为负。这就导致“快光”，即光脉冲的波峰可能在还没有通过光学物质的入口之前就出去了。 早在1910年左右，一些研究者在一些讨论超群速度（vgc或vg 0）的学术会议上就关心过超群速度的可能性。基于这些讨论，索末菲（Sommerfeld）在理论上证明了一个方形脉冲的波前通过

26、任何介质的速度都等于c，因此保持相对论的因果性。随后，Brillouin认为，当色散是非正常的情况下，脉冲受到扭曲，其群速度在物理上没有意义。遗憾的是，至今还没有关于信息的速度的一致的定义。截至2003年10月为止的实验结果说明，狭义相对论关于信息的速度不超过真空中的光速的论述仍然成立。 5 信息的速度信息的速度佯谬佯谬：当测量在空间上与我们分离的一个事件的当测量在空间上与我们分离的一个事件的时间和距离时，我们和该事件之间必须有信息传输时间和距离时，我们和该事件之间必须有信息传输如果我们知道信息传输的速度，则我们能够容易地如果我们知道信息传输的速度，则我们能够容易地确定该时间的时间和距离。但是

27、，速度是用时间和确定该时间的时间和距离。但是，速度是用时间和距离来定义的，这就导致佯谬。距离来定义的，这就导致佯谬。我们在谈论信息的我们在谈论信息的速度之前必须知道一个事件的四维坐标（时间和位速度之前必须知道一个事件的四维坐标（时间和位置），而要确定一个事件的四维坐标必须知道信息置），而要确定一个事件的四维坐标必须知道信息的速度。的速度。最大信息速度最大信息速度：为解决这个佯谬，我们必须找到某个东西作为其他为解决这个佯谬，我们必须找到某个东西作为其他一切东西的基础。如果我们不接受超距作用，我们一切东西的基础。如果我们不接受超距作用，我们就说，总存在一个我们称之为就说，总存在一个我们称之为c的最

28、大信息速度。的最大信息速度。在所有参考系中，都应该有自己的最大信息速度，在所有参考系中，都应该有自己的最大信息速度，只是数值大小不同而已，因为没有参考系是与最大只是数值大小不同而已，因为没有参考系是与最大信息速度的定义无关的。信息速度的定义无关的。静止质量为零的粒子一定以静止质量为零的粒子一定以c运动，因为若静止质量运动，因为若静止质量为零的粒子运动得慢些，就不会有能量传出来，就为零的粒子运动得慢些，就不会有能量传出来，就测量不到它，就不可能显示它的存在。迄今所知，测量不到它，就不可能显示它的存在。迄今所知，光子是静止质量为零的粒子，在目前实验精度范围光子是静止质量为零的粒子，在目前实验精度范

29、围内，它以内，它以c运动。运动。 信息的速度能大于光速吗？信息的速度能大于光速吗？ 依赖于怎样测量。依赖于怎样测量。脉冲可以不携带任何信息。脉冲可以不携带任何信息。Lloyd认为，认为，2000年王理军的实验中的脉冲年王理军的实验中的脉冲没携带任何信息。没携带任何信息。人们不知道信息的速度极限是什么，人们不知道信息的速度极限是什么，也不知道带有信息的信号速度与没有带有信息也不知道带有信息的信号速度与没有带有信息的信号速度之间的差别是什么。的信号速度之间的差别是什么。信息的丧失是熵的增加。信息的丧失是熵的增加。任何物质形式都可以用来携带信息。任何物质形式都可以用来携带信息。光量子的隧穿：光量子的

30、隧穿：1993年 Chiao （the University of California at Berkeley）证明量子力学容许光脉冲超过真空中的光速。证明量子力学容许光脉冲超过真空中的光速。按照量子理论，一个光子碰到不透明的墙，按照量子理论，一个光子碰到不透明的墙，有可能不返回而是穿透过去。他证明脉冲中的光子有可能不返回而是穿透过去。他证明脉冲中的光子隧穿通过由三氧化钛和硅玻璃的薄层做成的滤光器隧穿通过由三氧化钛和硅玻璃的薄层做成的滤光器时可以比光快。时可以比光快。这与因果性并不矛盾。这与因果性并不矛盾。所得结果只是错觉。所得结果只是错觉。脉冲的本质：脉冲的本质：脉冲是由许多具有微小频率差

31、别的光波组成的波包。脉冲是由许多具有微小频率差别的光波组成的波包。波包有波前、波峰和波尾，有一定的空间范围。波包有波前、波峰和波尾，有一定的空间范围。当光脉冲通过滤光器时，它的大部分被滤光器的原当光脉冲通过滤光器时，它的大部分被滤光器的原子吸收并再发射。那些未被吸收的部分或是隧穿通子吸收并再发射。那些未被吸收的部分或是隧穿通过滤光器，或是被反射回来。在探测器中首先记录过滤光器，或是被反射回来。在探测器中首先记录的波是通过最快路径到达的那部分。这些过程改变的波是通过最快路径到达的那部分。这些过程改变了脉冲的形状，割断了脉冲的尾部，将脉冲削小了了脉冲的形状，割断了脉冲的尾部，将脉冲削小了所以当脉冲

32、从滤波器出来的时候，看起来好象向前所以当脉冲从滤波器出来的时候，看起来好象向前跳了。当测量脉冲到达探测器的时间时，将会作出跳了。当测量脉冲到达探测器的时间时，将会作出结论说：脉冲作为一个整体。它的群速度比光快。结论说：脉冲作为一个整体。它的群速度比光快。信息比光快吗信息比光快吗？2003年Gauthier 和 Stenner的实验证明，脉冲所携带的信息的速度脉冲所携带的信息的速度没有超过光速没有超过光速。1 MICHAEL D. STENNER, DANIEL J. GAUTHIER & MARK A. NEIFELD, The speed of information in a fast-light optical medium , Nature 425, 695 - 698 (16 October 2003); 返回返回