关于_超光速_问题思考.doc

 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: O 442 ; P 145、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, 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,M axw ell 电磁理论和 H er tz 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= d r (1) V = ? t→0 ? t d r 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. 0×108m ?s (2) c= Ε0 Λ0 1. 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+ ?k u (z , t) =∫- ? c (k ) e i (w t- k z ) i (w t- k z ) dk = c (z , t) e (3) 0 0 k0 k c (z , t) = 2c (k 0 ) sin 5 ?k0 , 5 = ( dΞ) 0 t- z ]?k。 其中 5 dk 可见 c (z , t) 是单色波 ei (Ξt- k0z ) 的振幅, 而 ( Ξt- k0 z ) 是其位相。当 5 的值不断增大时, sin 5 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) k 0 z ) 反映了波包位相变化的情况, V g = d t dk 反映整个波包在空间移动的快慢, 也是能量传播的速度。相因子 (Ξt- 是时间、空间的函数; 相应的速度即为相速度 Ξ0 k 0 (5) V p = 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 Ξ n (6) c , 则 V g = V p 相速 k = c dΞ Ξ = c , V p = 若介质是非色散的, 则折射率 n 是常数, 与频率 Ξ 无关, V g = 与群速相等。 dk = n k n ( dΞ = c d c dk ) n ( ) 这时相速度与群速度不相等。 若介质是色散性质的, 则 V g = + k dk n 超光速”不可能的理论依据 E in stein 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 L o ren tz 变换4 。 2 2 ～ t = t- v x ?c 1- v 2 ?c2 x - v t ～ x = 1- v 2 ?c2 ～ y = y ～ z = z 当 v c 时, 则它以 Ga lilio 变换为近似, 回到经典力学的范畴。这是一个非常重要的性质, 在这范 围 内, 牛 顿 力 学 和 Ga lilio 变 换 都 被 大 量 的 实 事 证 明 是 可 靠 的; 若 v c, 由 于 L o ren tz 变 换 的 分 母 为 1- v 2 ?c2 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