超光速传输

2021-04-20 11:00:34 浏览:658

定义

某些量以超过真空光速的速度传输。

有特定条件下,光的相速度或群速度可能大于真空光速c。似乎信息也是可以超光速传输的,但这是与爱因斯坦的相对论理论相违背的,因为该理论认为超光速传输违反因果关系。但是如果仔细研究已存在的物理理论(例如,电磁场的麦克斯韦理论,爱因斯坦的相对论和量子电动力学等),就会发现超光速传输并没有任何非因果效应。任何试图用传统物理理论来解释这一效应的都会陷入逻辑困境,因为中间存在的问题不容易被发现。

两种相对简单的明显非因果传输的例子是:

  • X射线或者近光学共振原子的相速度可能大于c。即使很简单的机械模型(例如,一系列耦合摆)都能得到相速度大于c。但是不能直接测量具体信号的相位波前,信号传输需要某些调制方法。
  • 可以通过发送脉冲传输信息。这时信息的传播速度为群速度,即峰值传播的速度。群速度大于c得到超光速传输,这可以在隧道实验中得到。但是,在确定携带信息脉冲的峰值时容易出现错误[1]。例如,高斯形状的脉冲在峰值被探测之前就已经被探测到了,因为在之前的一段时间检测到了光强。因此,需要考虑一种不同的信号,即在探测之前并没有任何信息传送的信号。采用这种信号时,最早能探测到它的时间即当他以真空光速c传播时[1]。一个前驱的光以该速度传播,但是通常很弱而无法探测到,特殊情况下才能探测到[10]

当然,现存的物理理论,例如,爱因斯坦的相对论,也可能需要重新考虑或被新的理论取代,甚至允许超光速传输。已经存在这种理论,但是目前为止,还没有可信的证据支持用新的理论取代相对论理论。

参考文献

[1] A. Sommerfeld, “Ein Einwand gegen die Relativtheorie der Elektrodynamik und seine Beseitigung”, Phys. Zeitschr. 8, 841 (1907)
[2] C. G. B. Garrett and D. E. McCumber, “Propagation of a gaussian light pulse through an anomalous dispersion medium”, Phys. Rev. A 1 (2), 305 (1970)
[3] S. Chu and S. Wong, “Linear pulse propagation in an absorbing medium”, Phys. Rev. Lett. 48 (11), 738 (1982)
[4] A. M. Steinberg and R. Y. Chiao, “Dispersionless, highly superluminal propagation in a medium with a gain doublet”, Phys. Rev. A 49 (3), 2071 (1994)
[5] D. Mugnai et al., “Observation of superluminal behaviors in wave propagation”, Phys. Rev. Lett. 84 (21), 4830 (2000)
[6] L. J. Wang et al., “Gain-assisted superluminal light propagation”, Nature 406, 277 (2000)
[7] M. D. Stenner et al., “The speed of information in a ‘fast-light’ optical medium”, Nature 425, 695 (2003)
[8] M. S. Bigelow et al., “Superluminal and slow-light propagation in a room temperature solid”, Science 301, 200-202 (2003)
[9] M. D. Stenner et al., “Fast causal information transmission in a medium with a slow group velocity”, Phys. Rev. Lett. 94 (5), 053902 (2005)
[10] H. Jeong et al., “Direct observation of optical precursors in a region of anomalous dispersion”, Phys. Rev. Lett. 96 (14), 143901 (2006)
[11] J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, Wiley, (1998)

参阅:光速、相速度、群速度、因果关系

基础光学

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