超光速的试验课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,1,1.一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,2,2.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,4,3.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，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,v,g,=c/n,g,其中群折射率,n,g,=n+,d,n/,d,|,=,，,为波包的中心频率。,d,n/,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,d,n/,d,=（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,36,2000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-Wei Pan,Dik Bouwmeester,Matthew Daniell,Harald Weinfurter and Anton Zeilinger,，,Experimental test of quantum nonlocality,in three-photon GHZ entanglement,，,Nature,，,3 February 2000,Vol.403,No.6769,p.515,2000年，,37,2.量子隧穿与超光速,1993年，加利福尼亚大学伯克利分校的,Raymond Chiao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,38,Chiao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,39,3.使光速变慢甚至完全停止,1998年美国哈佛大学的,Lene Vestergaard Hau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,41,2001,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,Chien Liu,Zachary Dutton,Cyrus H.Behroozi,Lene Vestergaard Hau,Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses,Nature,409,490-493(2001),2,Michael M.Kash,Vladimir A.Sautenkov,Alexander S.Zibrov,L.Hollberg,George R.Welch,Mikhail D.Lukin,Yuri Rostovtsev,Edward S.Fry,and Marlan O.Scully,，,Ultraslow Group Velocity and Enhanced Nonlinear Optical Effects in a Coherently Driven Hot Atomic Gas,，,Phys.Rev.Lett.82,5229(28 June 1999),；,Ronald L.Walsworth,和,Mikhail D.Lukin,，,Phy.Rev.Letts.,2001,2001年1月19日,42,4.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,43,5.宇宙暴涨与超光速,如果光速是任何信号传递速度的上限，,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,（Lijun Wang）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,（superluminal propagation）。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-assisted superluminal light propagation,NATURE,VOL 406,20 JULY 2000,王理军（Lijun Wang）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（Lijun Wang），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Hanbury Brown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.LIJUN WANG,，,NEC RESEARCH INSTITUTE,INC.,2王理军博士自述：,48,3.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,）：,311,3.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,50,4光速仍是信息速度的极限的,最新实验根据,41证明,LORENTZ不变性,的新实验,42现代版的Michelson-Morley实验,43光速仍是信息速度的极限,4光速仍是信息速度的极限的,51,4.1 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,NIST F-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,。,*,Bluhm,et al.,Physical Review Letters,4 March 2002.,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John,Lipa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,*,。,*,Lipa et al.,Physical Review Letters,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,MICHAELD.STENNER,DANIELJ.GAUTHIER&MARKA.NEIFELD,The speed of information in a fast-light optical medium,Nature,425,695-698(16 October 2003);,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,v,g,=c/n,g,其中群折射率,n,g,=n+,d,n/,d,|,=,，,为波包,的中心频率。,d,n/,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,d,n/,d,0,，即所谓反常色散。,n,g,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（,v,g,c,或,v,g,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。如果我们不接受超距作用，我们,就说，总存在一个我们称之为,c,的最大信息速度。,在所有参考系中，都应该有自己的最大信息速度，,只是数值大小不同而已，因为没有参考系是与最大,信息速度的定义无关的。,静止质量为零的粒子一定以,c,运动，因为若静止质量,为零的粒子运动得慢些，就不会有能量传出来，就,测量不到它，就不可能显示它的存在。迄今所知，,光子是静止质量为零的粒子，在目前实验精度范围,内，它以,c,运动。,最大信息速度：,58,信息的速度能大于光速吗？,依赖于怎样测量。,脉冲可以不携带任何信息。,Lloyd认为，2000年王理军的实验中的脉冲,没携带任何信息。,人们不知道信息的速度极限是什么，,也不知道带有信息的信号速度与没有带有信息,的信号速度之间的差别是什么。,信息的丧失是熵的增加。,任何物质形式都可以用来携带信息。,超光速的试验课件,59,光量子的隧穿：,1993年 Chiao,（the University of California at Berkeley）,证明量子力学容许光脉冲超过真空中的光速。,按照量子理论，一个光子碰到不透明的墙，,有可能不返回而是穿透过去。他证明脉冲中的光子,隧穿通过由三氧化钛和硅玻璃的薄层做成的滤光器,时可以比光快。,这与因果性并不矛盾。,所得结果只是错觉。,超光速的试验课件,60,脉冲的本质：,脉冲是由许多具有微小频率差别的光波组成的波包。,波包有波前、波峰和波尾，有一定的空间范围。,当光脉冲通过滤光器时，它的大部分被滤光器的原,子吸收并再发射。那些未被吸收的部分或是隧穿通,过滤光器，或是被反射回来。在探测器中首先记录,的波是通过最快路径到达的那部分。这些过程改变,了脉冲的形状，割断了脉冲的尾部，将脉冲削小了,所以当脉冲从滤波器出来的时候，看起来好象向前,跳了。当测量脉冲到达探测器的时间时，将会作出,结论说：脉冲作为一个整体。它的群速度比光快。,超光速的试验课件,61,信息比光快吗,？,2003年Gauthier 和 Stenner的,实验证明，,脉冲所携带的信息的速度,没有超过光速,。,1,MICHAELD.STENNER,DANIELJ.GAUTHIER&MARKA.NEIFELD,The speed of information in a fast-light optical medium,Nature,425,695-698(16 October 2003);,返回,返回,62,