光速与超光速

伤我心太深

　　光速与超光速的故事

　　在现代科学中，光学有着无可比拟的重要性。从天体观测到微观世界的研究，都离不开光学。相对论更是把光速联系到因果律上。然而2000年时王利军实现超光速到豪威实现零光速，人们一次次的重新思考光学以至相对论和因果律。本系列将回顾关于光速的一些研究与思考，特别是一些被大众忽视的一些思考。

　　光速测量

　　最早人们认为光是瞬时传播，速度是无限大。直到1675年，丹麦天文学家Olaus Roemer发现了木星月食时间与地球木星的相对位置有关。这种现象被解释为光在太空传播需要一定的时间。

　　1728年英国的Bradley利用星光法测得了28.2万公里/秒。Fizeau是第一个在地上测出光速的人。1849年他用一个八公里外的镜子反射回到一个旋转齿轮上测出光速。他的助手Foucault很快又用类似的反射镜方法测得了29.6万公里/秒。但是这些方法测出的结果误差都比较大。二十世纪六十年代雷射出现以后，光速测量的误差一下减小到了一公里/秒以下。
　　1983年十月，光速被宣布为常数：299,792.458公里/秒。再加上爱因斯坦的相对论，光速不变，故事似乎应该到此结束了。

　　是Dirac最早提出，“物理常数”也许会随着宇宙演化而变化。Dirac从理论上探讨了这种可能性和随之而来的一些结果。1931年De Bray在《自然》杂志(Nature)上指出，人们测的得光速是不断减小的。最老的数据比当时的数据要大100公里/秒。Barry Setterfield在八十年代系统研究了历史上对光速的测量以及有关其他常数的测量，并得出结论，光速在不断减小。
　　到九十年代中叶，科学家们开始谈论“变化光速理论”(Varying Speed of Light),以解释标准大爆炸模型难以解释的几个问题。就是说，在宇宙早期，光速要比现在快得多。
　　时间和空间其实是密不可分的。我们看到的遥远的星系，其实是很久以前这个星系的样子，因为光线穿过广袤的太空已经度过了许久的时间。所以科学家说的宇宙早期在实际观测中实际上是离我们更远的太空。就是说光线在接近地球时越来越慢。

　　那么设想一下，如果自己是一个原子。那么地球就大得象一个宇宙。光线进入地球以后再进入原子会不会也越来越慢或是有不同的速度呢?
　　这种变慢一定要是均匀的吗?先变快一点，进入地球后一下子慢下来人能分辨出来吗?

　　再有，时间和空间是密不可分的，速度又何尝可以被分割出去呢?当我们测的光速变慢时，怎么知道不是时间被加速或是长度被压缩呢?



　　关于超光速的最大突破是华裔科学家王利军在2000年7月做出的。

　　2000年7月的《自然》杂志发表了王利军的一个试验[1]：一个光脉冲还没有到达试验气体，气体的另一侧光脉冲就已经出来了。

　　在一个30度C铯原子空腔上外加磁场，四束偏振雷射被引入该空腔，并被调到合适的参数。这时一束探测光被引入这个空腔，两个光探测器分别在探测光进入空腔前和出空腔后监控探测光。实验发现，合适的实验参数可以使探测光提前62ns穿过空腔。可是6厘米长的空腔真空光速只要0.2ns就可以穿过。就是说，探测脉冲离空腔入口还有10多米的时候(6厘米X 62ns/0.2ns)，空腔出口就已经可以探测到这个光脉冲了!

　　这种现象实际上早已被预言，王利军首先漂亮地在实验室中展示了这种现象。按照波动光学的说法，任何光脉冲都要用富利叶变换分解成各种单色光，每一个单色光都是从无穷远延伸到无穷远。我们之所以看到的是一个局限在很小范围内的光脉冲，是因为远处的各种颜色的光线相互抵消。那么在特定条件下，远处的光线不能相互抵消了，这个光脉冲也就以超光速一下子跑前面去了。

　　富利叶变换只是一种数学工具。为了解释各种各样的光与物质的相互作用，富利叶变换之外又有各种物理概念和数学工具被引入。利用它所预言或解释试验现象的物理概念却未必对。其实许多光现象都与另外空间有关。这里我们也可以用另外空间来试着解释一下。

　　首先速度的概念在不同的时空中就不管用了。如果先进入另外空间，然后再回到我们的空间，表观速度就可能大于或小于光速。一个光脉冲在我们这个空间一产生，在另外许多空间也都同时有它的表现了。反过来，另外空间的光一产生，在我们这个空间很可能也有相应的表现。也许雷射本来就是另外空间的光表现在我们这个空间里。许多现代科学中研究的神奇的相互作用与光现象都可能来源于另外空间。象电现象，磁现象，可见光以外的各种光。