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1、摘要:介绍了“超光速”理论的由来;简介了“超光速”研究的现状;给出了既“超光速”又不违背狭义相对论的例证。关健词:超光速;群速度;相速度;狭义相对论中图分类号:O442;P145、8文献标识码:A文章编号:1671-1785(2004)04-0026-04在目前的本科物理教学中,我们认为“超光速”是不可能实现的,是与狭义相对论矛盾的;而自20世纪末期,欧、美国家掀起了一般“超高速”研究热,认为在一定条件下“超光速”可能实现,而且在国际国内的权威刊物上还不断介绍高规格的“超光速”试验。这就不能不引起我们的困惑:一方面狭义相对论是经过实践检验的客观规律,不能动摇;另一方面“超光速”研究的成果涌现
2、,不容忽视。本人认为“超光速”问题涉及到许多概念,应将电磁理论、量子力学、狭义相对论与天体物理结合起来思考,才会对“超光速”问题的理解有所帮助。光速1光、即可见光,Maxwell电磁理论和Hertz试验证明了光是电磁波,是波长范围在014×10-6～0175×10-6m之间的电磁波1;由量子力学2,光具有双重性;光即是波(电磁波),又是粒子(光子),具有波动性与粒子性,即具有波-粒二象性。1.1光速c定义为光子的瞬时速率lim∃r=dr(1)V=∃t→0∃tdr在惯性系中,在空间某点处光子移动∃r的距离与移动此距离所需时间∃t之比,当∃t趋于零时的极限。光在真空中的传播速率为1=3.0×10
3、8mƒs(2)c=Ε0Λ01.2光波的群速度与相速度时刻波列的方程为3设波沿z方向传播,任-k0+∃ku(z,t)=∫-∃c(k)ei(wt-kz)i(wt-kz)dk=c(z,t)e(3)00k0kc(z,t)=2c(k0)sin5∃k0,5=(dΞ)0t-z]∃k。其中5dk可见c(z,t)是单色波ei(Ξt-k0z)的振幅,而(Ξt-k0z)是其位相。当5的值不断增大时,sin5经过一系列5极大值和极小值。其极大和极小的值随5的增大而减小,这时波的行为基本集中在一定范围之内,叫做dz=(dΞ)(4)k0z)反映了波包位相变化的情况,Vg=dtdk反映整个波包在空间移动的快慢,也是能量传
4、播的速度。相因子(Ξt-是时间、空间的函数;相应的速度即为相速度Ξ0k0(5)Vp=应注意到只有出现两个以上波的叠加时,才有群速度与相速度之分。在介质中有Ξn(6)c,则Vg=Vp相速k=cdΞΞ=c,Vp=若介质是非色散的,则折射率n是常数,与频率Ξ无关,Vg=与群速相等。dk=nkn(dΞ=cdcdk)n()这时相速度与群速度不相等。若介质是色散性质的,则Vg=+kdkn超光速”不可能的理论依据Einstein在其著名论文“论动体的电动力学”中早就有过论断:“超光速没有存在的可能”4。我们知道,作为用狭义相对论理论基础的Lorentz变换4。22～t=t-vxƒc1-v2ƒc2x-vt～
5、x=1-v2ƒc2～y=y～z=z当v<c,由于Lorentz变换的分母为1-v2ƒc2变换式将出现复数,这是没有意义的,所以狭义相对论认为,任何物体的速度不能超过光速,v是在任何惯性系中静止的观测者所看到的物体相对于他的速度。2.1运动学角度论证“超光速”不可能由于时间流动的单向性,因果关系不允许颠倒,为此我们把两事件可能有因果关系的含义数字化6,若事件p可能是事件q的因,须存在一种信号(传播速度为u),它在事件p发生时刻tp,从当地
6、xp发出,在信号传至xQ后才有事件q的发生,即两事件的时间差不小于信号在其间传播所需的时间,xq-xpt0-tp≥u这是p与q有因果联系的必要条件。而时序可以颠倒的条件由Lorentz变换可得vc2(xq-xp)t0-tp<2c。可知要使有因果联系的事件p与q发生时序颠倒必有:u>v注意到Lorentz变换要求惯性系之间的相对速率v小于c,可得时序颠倒时u>c。这结果说明:若存在超光速的信号u,那么因果律将被破坏;若要因果律不被破坏,那么光速是任何信号的速率上限,即任何信号的速率不能超过光速。2.2动力学的角度论证超光速的不可能由相对论力学,动质量与静质量的关系m0(9)m=Χm0=1-v2
7、ƒc2若不断加速一个亚光速的质点,它的惯性质量m将不断增大,当逼近光速时,m将变成无穷大,即光的群速度的概念在早期量子理论中被等同于粒子的运动速度,美国科学家A.Sommerfeed和L.Brillonin提出光的“信号速度”并不是等同其群速度,因此,虽然在原子吸收线中的反常色散区,光的群速度可以大于其真空速度,这并不意味着信号可以大于其真空速度c的传播,他们提出光的正确的“信号速度”应定义为“前沿速度”,即
