武強(qiáng)

光速=c ？

　　2000年7月，由于英國(guó)《自然》（Nature，2000，406：277）雜志發(fā)表了一篇關(guān)于“超光速”實(shí)驗(yàn)的論文，引起了人們對(duì)超光速倒底是否存在的討論。其實(shí)對(duì)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?cè)缬醒芯?，而Nature中報(bào)道的這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是實(shí)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(duì)論）的超光速，為了說明這個(gè)問題，讓我們看一看由華人科學(xué)家王力軍所做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

　　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(gè)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：

　　v_g = c / n_g，　　　n_g= n + ω（dn/dω）

　　顯然在一定的情況下（如反常色散很強(qiáng)的介質(zhì)）可以出現(xiàn)負(fù)的群速度，此時(shí)，光脈沖在介質(zhì)中傳播比真空中花的時(shí)間短，其差

　　ΔT = （L/v） — （L/c）

　　達(dá)到絕對(duì)值足夠大時(shí)就可以觀察到“超光速”現(xiàn)象，即“光脈沖峰值進(jìn)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(shí)驗(yàn)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，出射光脈沖雖然是在入射脈沖峰值進(jìn)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(jìn)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(shí)王的實(shí)驗(yàn)重要意義正在于實(shí)現(xiàn)了可觀測(cè)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?。?dāng)然，這一實(shí)驗(yàn)本身就說明我們?nèi)祟悓?duì)光的認(rèn)識(shí)又前進(jìn)了一步。對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的解釋只憑折射率與群速度的關(guān)系這個(gè)公式是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這其中包含了量子干涉的效應(yīng)，涉及到對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，揭開蒙在“超光速實(shí)驗(yàn)”頭上的面紗，仍然是科學(xué)家們奮斗的目標(biāo)。

　　很多人在了解了這個(gè)實(shí)驗(yàn)后就會(huì)想到能否用這種“超光速”效應(yīng)來傳遞信息，在王的實(shí)驗(yàn)中，“超光速”的脈沖不能攜帶有用的信息，因此也就無從談起信息的超光速傳遞，同樣能量的超光速傳輸也是不行的。

　　與超光速實(shí)驗(yàn)具有相同轟動(dòng)效應(yīng)的是另一種“超光速”現(xiàn)象：quantum teleportation即量子超空間傳輸（或量子隱形傳態(tài)），這個(gè)奇妙的現(xiàn)象因其與量子信息傳遞及量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)有密切聯(lián)系而引起人們的關(guān)注。所謂超空間，就是量子態(tài)的傳輸不是在我們通常的空間進(jìn)行，因此就不會(huì)受光速極限的制約，瞬時(shí)地使量子態(tài)從甲地傳輸?shù)揭业兀▽?shí)際上是甲地粒子的量子態(tài)信息被提取瞬時(shí)地在乙地粒子上再現(xiàn)），這種量子信息的傳遞是不需要時(shí)間的，是真正意義的超光速（也可理解為超距作用）。在量子超空間傳輸?shù)倪^程中，遵循量子不可克隆定律，通過量子糾纏態(tài)使甲乙粒子發(fā)生關(guān)聯(lián)，量子態(tài)的確定通過量子測(cè)量來進(jìn)行，因此當(dāng)甲粒子的量子態(tài)被探測(cè)后甲乙兩粒子瞬時(shí)塌縮到各自的本征態(tài)，這時(shí)乙粒子的態(tài)就包含了甲粒子的信息。這種信息的傳遞是“超光速”的。

　　但是，如果一位觀測(cè)者想要馬上知道傳送的信息是什么，這是不可能的，因?yàn)榇藭r(shí)粒子乙仍處于量子疊加態(tài)，對(duì)它的測(cè)量不能得到完全的信息，我們必須知道對(duì)甲粒子采取了什么測(cè)量，所以不得不通過現(xiàn)實(shí)的信息傳送方式（如電話，網(wǎng)絡(luò)等）告訴乙地的測(cè)量者甲粒子此時(shí)的狀態(tài)。最終，我們獲得信息的速度還是不能超過光速！量子超空間傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)已在1997年實(shí)現(xiàn)了（見Nature，390，575.1997）。

　　以上兩個(gè)超光速的方案目前還只處于理論探討和實(shí)驗(yàn)階段，離實(shí)用還有很遠(yuǎn)的距離，而且這兩個(gè)問題都涉及到物理學(xué)的本質(zhì)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其解釋都在爭(zhēng)論之中。