超光速的试验课件

光1光的干涉、衍射和偏振实验---光的波动性2光电效应实验---光的粒子性3单光子分光实验---光子不可分

3.1一个光子分为反射光和透射光3.2透射光通过多个分光器3.3反射光和透射光汇聚于第二个分光器光11.一个光子分为反射光和透射光1.一个光子分为反射光和透射光22.透射光通过多个分光器2.透射光通过多个分光器3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，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1，则另一面朝上的几率为0；量子随机性不可移去，如一个光子经过一次分光器后，透射光仍有1/2的几率再一次被透射，1/2的几率再一次被反射。透射光通过多个分光器43.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。3.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，5当光到达第二个半镀银的玻璃片M（2）之前，用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉，光子以1/2的几率被探测器D（1）和D（2）所接收.

当光到达第二个半镀银的玻璃片M（2）之前，6当光到达第二个半镀银的玻璃片M（2）之前，用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉，光子以1/2的几率被探测器D（1）和D（2）所接收.当光到达第二个半镀银的玻璃片M（2）之前，7以此，可以进行量子无损害测量，可以作为量子计算机的基本元件。以此，8光速0前言1、关于光速2、一些实验结果3、超光速理论4．光速仍是信息速度的极限的最新实验根据5、评述光速9运动速度超过光速的现象称为超光速现象或超光速效应，简称“超光速（superluminal）”。超光速运动的粒子称为超光速粒子，或快子（tachyon）。在其中出现“超光速”现象的介质称为“快光（fast-light）”物质。运动速度超过光速的现象10光脉冲在光学介质中传播的速度没有精确的定义。任何脉冲都是一些具有不同频率的正弦基波的组合。光脉冲在光学介质中传播的速度11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为真空中的光速，n()为该光学介质的折射率，对于不同的频率有不同的折射率，因而有不同的相速度。单个正弦基波在光学介质中传播，12光脉冲在光学介质中传播的近似理论，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。光脉冲在光学介质中传播的近似理论，13超光速的试验课件14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。在这样的区域中，ng可能小于1甚至为负。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。在典型的光学物质中，15慢光慢光慢光慢光16LeneVestergaardHaumS.E.Harris,ZacharyDutton,CyrusH.Behroozi,Nature397,594(1999)17米/秒LeneVestergaardHaumS.E.Har17光存储控制光探测光介质光存储控制光探测光介质18无反转激光无反转激光19单光子开关单光子开关20关于光速首次计算出光速光是电磁波光速作为基本测量标准光速不变原理是相对论的基础光线在引力场中弯曲光速是速度极限关于光速21丹麦天文学家罗默（OleRomer）在17世纪首次成功地计算出光速。用木星的一颗卫星有规律的轨道运动作为计时器每次这颗卫星被巨大的行星（木星）所掩食，他便记录下一个“滴答”。但他发现，从地球上观察，这些滴答的出现并不像预想的那么规律，在一年之中会时而快几分钟，时而慢几分钟。

首次计算出光速丹麦天文学家罗默（OleRomer）在17世纪首次首次计算22超光速的试验课件23超光速的试验课件24罗默计算出，这些时延是木星和地球在绕太阳运动时它们之间的距离变化所引起的。通过计算一年里地球、木星及其卫星在轨道上的相对位置，他算出了光穿过宇宙空间的速度。罗默于1676年向法国科学院提交了他的结果，数值与目前被接受的值之差不超过30%。

罗默计算出，25用c=fλ计算光速（c）

1米定义为氪-86源产生的光的波长的1,650,763.73倍，1秒则定义为铯-133原子超精细跃迁放出的辐射频率的9,192,631,770倍。这使得c达到非常高的精度，误差只有十亿分之几。

用c=fλ计算光速（c）1米定义为氪-86源产生的光的波长26光速作为测量标准1983年，光速取代了米被选作定义标准，约定为299,792,458米/秒，数值与当时的米定义一致。秒和光速的定义值，表示1米从此定义为光在真空中1/299,792,458秒内走过的距离。因此自1983年以来，不管我们对光速的测量作了多少精确的修正，都不会影响到光速值，却会影响到米的长度。

光速作为测量标准27光速不变原理是相对论的基础

光速还关系着比长度更加基本的东西。光速的真正重要性在于：光速不仅仅是光子在真空中运动的速度，还是连接时间与空间的基本常数。相对论基于一个通用原则：相对任何以恒定速度运动的观察者来说，不管这个速度是多少，物理原理及光速都是一样的。确定了光速在物理学中的根本地位。

光速不变原理是相对论的基础光速还关系着比长度更加基本的东西28光线在引力场中弯曲

穿越时空的光线，在大质量物体附近会弯曲。1919年日食期间观测掠过太阳附近的星光被太阳的质量所弯曲而得到证明。光线在引力场中弯曲穿越时空的光线，29光速是速度极限相对论和大量现代实验证明，没有任何静止质量不为零的物体能加速到光速。任何（包括静止质量为零的）物质的运动速度不能超过真空中的光速。不论我们建造动力多么强劲的火箭飞船，它们也永远不能到达光速。一个物体的动能增加，它的惯性也增加，从而越来越难继续加速。

光速是速度极限相对论和大量现代实验证明，302一些实验结果2312．1．量子交缠态（EPR态）与超距作用2．2．量子隧穿与超光速2．3．介质中的超光速现象，切伦科夫辐射2．4．使光速变慢甚至完全停止2．5．天文学中的超光速现象2．6．宇宙暴涨与超光速2．7．在介质中使光脉冲的群速度超过真空中光速c2．8．中微子质量平方为负2．9．宇宙微波背景辐射作为绝对静止坐标系2．1．量子交缠态（EPR态）与超距作用321.量子交缠态（EPR态）与超距作用1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出两个一维粒子的量子态（现在称之为EPR态）(x1,x2)=∫dpexp[ip(x1-x2+x0)/]=2(x1-x2+x0),

这是一个交缠态。

1.量子交缠态（EPR态）与超距作用1935年，爱因斯坦、波33在这个交缠态中，每个粒子的坐标是不确定的，但是，两个粒子的相对距离是确定的。如果x0很大，即两个粒子相距很远，没有因果联系，测量前，每个粒子的坐标是不确定的，一旦测得一个粒子的位置为x1，则另一个粒子的位置立即完全确定（为x2=x0-x1）。EPR思想实验（瞬时传态）在这个交缠态中，EPR思想实验（瞬时传态）34|>=（1/2）（|1(+)>|2(-)>+|1(-)>|2(+)>）

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。两个粒子在分开前有相互作用，分开后设没有。这两个粒子组成的系统的状态用|1>|2>表示。第一个粒子的自旋为+1/2，则第二个应为-1/2，这种情况表示为|1(+)>|2(-)>，第一个粒子的自旋为-1/2，第二个为+1/2，这种情况表示为|1(-)>|2(+)>。只有这两种情况，因此

|>=（1/2）（|1(+)>|2(-)>假35量子超空间传输的实验已在1997年实现了（见Nature,390,575.1997）。

量子隐形传态（teleportation）量子超空间传输的实验量子隐形传态362000年，Nature发表潘建伟等的实验结果，证明三个光子的纠缠态的量子非局域性[1]。

[1]Jian-WeiPan,DikBouwmeester,MatthewDaniell,HaraldWeinfurterandAntonZeilinger，Experimentaltestofquantumnonlocalityinthree-photonGHZentanglement，Nature，3February2000,Vol.403,No.6769,p.5152000年，372.量子隧穿与超光速

1993年，加利福尼亚大学伯克利分校的RaymondChiao证明：量子理论还允许另一种超光速旅行存在：量子隧穿。

2.量子隧穿与超光速1993年，加利福尼亚大学伯克利分校的38Chiao通过测量可见光光子通过特定过滤器的隧穿时间，证明了“超光速”隧穿效应的存在。结果隧穿光子先到达探测器，证明它们穿越过滤器的速度可能为光速的1.7倍。

Chiao通过测量可见光光子393.使光速变慢甚至完全停止

1998年美国哈佛大学的LeneVestergaardHau宣布，她把光速降到了每秒17米。2001年，她使光完全停止了。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。

3.使光速变慢甚至完全停止1998年美国哈佛大学的40超光速的试验课件412001年1月19日Nature发表了Hau领导的小组[1]和R.L.Walsworth和D.Lukin[2]分别独立地完成将光停下来的实验。

[1]ChienLiu,ZacharyDutton,CyrusH.Behroozi,LeneVestergaardHau,Observationofcoherentopticalinformationstorageinanatomicmediumusinghaltedlightpulses,Nature,409,490-493(2001)[2]MichaelM.Kash,VladimirA.Sautenkov,AlexanderS.Zibrov,L.Hollberg,GeorgeR.Welch,MikhailD.Lukin,YuriRostovtsev,EdwardS.Fry,andMarlanO.Scully，UltraslowGroupVelocityandEnhancedNonlinearOpticalEffectsinaCoherentlyDrivenHotAtomicGas，Phys.Rev.Lett.82,5229(28June1999)；

RonaldL.Walsworth和MikhailD.Lukin，Phy.Rev.Letts.,20012001年1月19日424.天文学中的超光速现象

类星体有时喷出速度比光速快得多的喷流。宇宙在膨胀，星系彼此远离。星系之间距离越远，互相分离的速度越大。如果星系之间足够远，它们退行的速度就比光还快。

4.天文学中的超光速现象类星体有时喷出435.宇宙暴涨与超光速

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。因为没有任何东西能够在大爆炸发生以后走完这段距离。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。但宇宙在大尺度上是相当均匀的。宇宙曾经历了超光速的暴涨时期。

5.宇宙暴涨与超光速如果光速是任何信号传递速度的上限，44

6.

脉冲“超光速”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。6.

脉冲“超光速”的实验[1]45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。

出射光脉冲在入射脉冲峰值进入介质之前出现，46王理军（LijunWang）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（superluminalpropagation）。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-assistedsuperluminallightpropagation,

NATURE,VOL406,20JULY2000,王理军（LijunWang）博士是美国普林斯顿大学NEC物47[2]王理军博士自述：王理军（LijunWang），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HanburyBrown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.LIJUNWANG，NECRESEARCHINSTITUTE,INC.[2]王理军博士自述：483.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.超光速运动的过去、现在和未来[J].

自然杂志，2001，23（6）：3113.超光速理论49第二届电磁波波速学术会议2002年5月25-26日，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，组长黄志询教授作了题为“近年来国外的超光速实验”的报告，美国阿拉巴马大学张操教授作了题为“超光速运动和狭义相对论的局限性”的报告，共有11人作了学术报告，这些报告汇集成《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2002第4期）于2002年12月出版。

第二届电磁波波速学术会议504．光速仍是信息速度的极限的最新实验根据

4．1．证明LORENTZ不变性的新实验4．2．现代版的Michelson-Morley实验4．3．光速仍是信息速度的极限4．光速仍是信息速度的极限的514.1证明LORENTZ不变性的新实验国际空间站的低温铯原子钟（号称世界上最好的,NISTF-1,精度达10-15）实验与地面实验比较，证明LORENTZ不变性和狭义相对论*，精度达10-17。

*

Bluhmetal.,PhysicalReviewLetters,4March2002.4.1证明LORENTZ不变性的新实验52

4.2现代版的Michelson-Morley实验2003年2月5日，美国物理学会报道，Stanford大学的物理学家JohnLipa小组进行的现代版的Michelson-Morley实验，证明LORENTZ不变性和狭义相对论仍然成立*。

*

Lipaetal.,PhysicalReviewLetters,2003，Feb.4.2现代版的Michelson-Morley实验53

4.3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。2003年10月，Nature发表Stenner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，并提出了加快通信系统的发展、以使信息传播速度接近光速的方法。[1]

MICHAEL

D.

STENNER,DANIEL

J.

GAUTHIER&MARK

A.

NEIFELD,Thespeedofinformationina'fast-light'opticalmedium,Nature425,695-698(16October2003);

4.3真空中的光速仍是速度极限54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。光脉冲在光学介质中传播的速度是没有精确的定55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。早在1910年左右，一些研究者在一些讨论超群56

5信息的速度佯谬：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，速度是用时间和距离来定义的，这就导致佯谬。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（时间和位置），而要确定一个事件的四维坐标必须知道信息的速度。

57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一切东西的基础。如果我们