超光速是什么概念

kuaidi.ping-jia.net  作者:佚名   更新日期:2024-07-09
超光速是什么 概念?

超光速(faster-than-light, FTL或称superluminality)会成为一个讨论题目,源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制,光速成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。而在相对论中,运动速度和物体的其它性质,如质量甚至它所在参考系的时间流逝等,密切相关,速度低于(真空中)光速的物体如果要加速达到光速,其质量会增长到无穷大因而需要无穷大的能量,而且它所感受到的时间流逝甚至会停止(如果超过光速则会出现“时间倒流”),所以理论上来说达到或超过光速是不可能的(至于光子,那是因为它们永远处于光速,而不是从低于光速增加到光速)。但也因此使得物理学家(以及普通大众)对于一些“看似”超光速的物理现象特别感兴趣。

2000年7月,由于英国《自然》(Nature,2000,406:277)杂志发表了一篇关于“超光速”实验的论文,引起了人们对超光速倒底是否存在的讨论。其实对在介质中使光脉冲的群速度超过真空中光速c, 科学家们早有研究,而Nature中报道的这个实验就是实现了这种想法。但是这并非是人们想象的那种所谓违反因果律(或者相对论)的超光速,为了说明这个问题,让我们看一看由华人科学家王力军所做的这个实验。

光脉冲是由不同频率、振幅、相位的光波组成的波包,光脉冲的每个成分的速度称为相速度,波包峰的速度称为群速度。在真空中二者是相同的,但是在介质中如我们所知道的存在如下的群速度与介质。

折射率的关系:
vg = c / ng , ng = n + ω(dn/dω)
显然在一定的情况下(如反常色散很强的介质)可以出现负的群速度,此时,光脉冲在介质中传播比真空中花的时间短,其差ΔT = (L/v) - (L/c)达到绝对值足够大时就可以观察到“超光速”现象,即“光脉冲峰值进入介质以前,在另一边已经有脉冲峰出射了”(由王力军原文译)。

那么这种超光速是不是违背因果率呢?我们仔细考查王的实验就会发现,出射光脉冲虽然是在入射脉冲峰值进入介质之前出现的,但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了(如图),因此出射脉冲可以看作是由入射脉冲前沿与介质相互作用产生 的。其实王的实验重要意义正在于实现了可观测的负群速度的这一现象,而不是像媒体炒作的那样发现了什么“超光速”,负的群速度在这里就不能理解为光的速度了,它也不是能量传输的速度。当然,这一实验本身就说明我们人类对光的认识又前进了一步。对这个实验的解释只凭折射率与群速度的关系这个公式是远远不够的,这其中包含了量子干涉的效应,涉及到对光的本质的认识,揭开蒙在“超光速实验”头上的面纱,仍然是科学家们奋斗的目标。

很多人在了解了这个实验后就会想到能否用这种“超光速”效应来传递信息,在王的实验中,“超光速”的脉冲不能携带有用的信息,因此也就无从谈起信息的超光速传递,同样能量的超光速传输也是不行的。

与超光速实验具有相同轰动效应的是另一种“超光速”现象
quantum teleportation即量子超空间传输(或量子隐形传态),这个奇妙的现象因其与量子信息传递及量子计算机的实现有密切联系而引起人们的关注。所谓超空间,就是量子态的传输不是在我们通常的空间进行,因此就不会受光速极限的制约,瞬时地使量子态从甲地传输到乙地(实际上是甲地粒子的量子态信息被提取瞬时地在乙地粒子上再现),这种量子信息的传递是不需要时间的,是真正意义的超光速(也可理解为超距作用)。在量子超空间传输的过程中,遵循量子不可克隆定律,通过量子纠缠态使甲乙粒子发生关联,量子态的确定通过量子测量来进行,因此当甲粒子的量子态被探测后甲乙两粒子瞬时塌缩到各自的本征态,这时乙粒子的态就包含了甲粒子的信息。这种信息的传递是“超光速”的。

但是,如果一位观测者想要马上知道传送的信息是什么,这是不可能的,因为此时粒子乙仍处于量子叠加态,对它的测量不能得到完全的信息,我们必须知道对甲粒子采取了什么测量,所以不得不通过现实的信息传送方式(如电话,网络等)告诉乙地的测量者甲粒子此时的状态。最终,我们获得信息的速度还是不能超过光速!量子超空间传输的实验已在1997年实现了(见Nature,390,575.1997)。

以上两个超光速的方案目前还只处于理论探讨和实验阶段,离实用还有很远的距离,而且这两个问题都涉及到物理学的本质,实验现象及其解释都在争论之中。

所谓“时光倒流”就是光的多普勒效应。 并不是“时间”倒流,而是世界的感觉“倒流”。 与声音可以类比,都是波粒二象性。 多普勒效应根本上是由于波的传播速度是绝对的,只与介质有关,与声源和接受物体运动状况无关。 换句话说,波的传播应以介质作为参考系。 突破光速屏障时会有“光障”(类似“声障”) 现象可与超音速飞行类比,并不是不可能。

光速不变的条件是这样的:介质稳定。因为在任何稳定的介质中,任何波的速度都不变,与参照系无关。当声波的介质相对于测量者静止时,无论声源速度如何变化,声速不变(只改变音频),这是著名的多普勒实验,其它所有机械波都有类似现象。

举例来说,运动的火车头发出的声音,相对地面还是声速(声速不变),不是火车速度加声速,而相对火车速度是声速减火车速度(加利略变换);而在超音速飞机内部从机尾向机头发出声音,相对飞机,还是声速(声速不变),而相对地面,是飞机速度加声速(伽利略变换)。因此速度是相对的,相对论变换与伽利略变换并存,而不是排斥。

如果一个钟,以0.5倍声速从原点远去,我们会听到什么现象呢?

一秒钟时,它距离原点0.5声秒距离报1秒,但这个事件我们在原点听见,需要再过0.5秒,于是我们发现,在本地钟1.5秒时,远处的钟报1秒,本地钟3秒时,远离的钟报2秒,也就是我们在忽略测量时间时,误以为远去的钟慢了。而且速度越快,钟慢得越厉害。

假设有一把尺长1声秒,而我们的测量地面上有一无限长尺子固定不动,运动尺头尾各有一个探测装置,在探测到与地面某一尺刻度重合时,用声音报出该刻度,我们在地面尺原点接收声音。尺匀速运动逐渐远离,当尺尾报0声秒时,尺头已经距离我们1声秒,而这个距离,要1秒后我们才能收到;当尺尾到1声秒距离时,尺头到2声秒,还是要在我们收到尺尾报1声秒后1秒,我们才能收到尺头报2声秒,于是我们会直观的认为,尺尾先到刻度,尺头后到达它本应立刻到达的刻度,感觉好象远离的尺,缩短了。而且运动速度越快,感觉短的越厉害。

如果超过声速,我们将追上以前发出的声音,声波将倒序进如我们的耳朵,就好象时间在倒退。我们先听到2点的钟声,后听到1点的钟声。这个现象是感觉或计算“时光倒流”的本质原因。光也有类似现象。

钟慢、尺缩、超光速时间倒流现象,都可以用声音试验做出结果,这只能证明爱因斯坦的结论有问题,他忽略了测量速度的问题,把现象当成了物理本质。照本文方法解释相对论,双生子悖论、子回到未生时杀父悖论都不存在。

时间永远不会倒流,无限接近光速只是这个运动物体感觉时间变慢了而已。

举个例子 一个离地球1光年的一个星球,一个光速运行的飞船和一个快速度运行的飞船一起飞向这个星球,那么以光速运行的飞船1年就达到了这个星球,而另一个飞船需要100年或者是更长的时间到达,相对于第二个飞船来说,光速飞船的时间相当于变慢了。1年等于100年。

我们这个世界是一个已光速为极限传媒的世界,我们看到一切事物都是已光速传播来的,假设可以超过光速运行相当于你再别人看到这个东西之前看到了这个东西,应该是可以预知未来(当然因为我们是光速为传媒看东西,超过光速你什么也看不到)

举个例子 比如还是那个1光年的星球,我们看到的是这个星球1年前的样子,如果你超光速了,那相当于你比别人看到了提前的这个星球,假设这个星球毁灭了,那么你再半年之后看到星球的毁灭,而别人需要在1年后才能看到这个星球的毁灭,相对于别人,你预测了未来。

还有一个例子就是如果你已超光速去追赶1年前从地球发出的光,理论上在你追上这个光的时候你能看到1年前地球的样子,仅仅是看到,当你返回地球的时候,又是地球时间了。
个人理解相对论……

超光速是什么?

源自于相对论中于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制,光速(真空中大约为3亿米/秒,光速定义值c=299792458m/s=299792.458km/s)成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。除非世上存在自旋超过5的粒子,不然是不可能达到的。(因为超光速超越了光速)

真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。光速不变原理,在狭义相对论中,指的是无论在何种惯性系(惯性参照系)中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299,792,458 米/秒。

超光速的特点

显然在一定的情况下(如反常色散很强的介质)可以出现负的群速度,此时,光脉冲在介质中传播比真空中花的时间短,其差ΔT = (L/v) - (L/c)达到绝对值足够大时就可以观察到“超光速”现象,即“光脉冲峰值进入介质以前,在另一边已经有脉冲峰出射了”(由王力军原文译)。

那么这种超光速是不是违背因果律呢?我们仔细考查王的实验就会发现,出射光脉冲虽然是在入射脉冲峰值进入介质之前出现的,但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了,因此出射脉冲可以看作是由入射脉冲前沿与介质相互作用产生的。其实王的实验重要意义正在于实现了可观测的负群速度的这一现象,而不是像媒体炒作的那样发现了什么“超光速”,负的群速度在这里就不能理解为光的速度了,它也不是能量传输的速度。当然,这一实验本身就说明我们人类对光的认识又前进了一步。对这个实验的解释只凭折射率与群速度的关系这个公式是远远不够的,这其中包含了量子干涉的效应,涉及到对光的本质的认识,揭开蒙在“超光速实验”头上的面纱,仍然是科学家们奋斗的目标。



相对论认为光在真空中运动时相对于任何运动物体速度都是C,光速不可超,因为超光速需要能量无限大!这是相对论成立的前提!
根据相对论公式,见下
t=t0/√1-(v/c)^2
其中t0是参考系的时间,t是运动物体的时间!从这个公式仅仅能够推出速度越快,t越大,也即相对参考物时间越慢!
如果物体超光速,原式分母直接变成开负数,这样的数字在现实中不存在,或许一旦超光速,任何物体都会从宇宙中直解消失!



  • 超光速和光速一样吗?
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  • 光速是不是所有速度的上限,如果超过光速会发生什么?
    答:但现代物理学并不允许物质的运动速度超过光速,因为一旦超光速,就可能发生时光逆转之类的情况,也就是所说的时光倒流。于是你就会感叹科幻毕竟是科幻,其实不然,超光速现象在宇宙中比比皆是。大家请注意,我刚说的不可超光速指的是物质的速度极限,而宇宙中还包含了其他速度概念,它们可并非是物质现象!
  • 宇宙中有超过光速的速度存在吗?
    答:光速被认为是宇宙中的极限速度,任何物体都无法超越光速。但在现实生活当中,宇宙中却存在着一些超光速的现象,打破了我们科学家们原有的认知。众所周知,速度是代表物体运动快慢的一个物理量,从理论上来说,速度应该是无限的。但在爱因斯坦的相对论中有这样描述:“一个有质量的物体,它的速度是...
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    答:超光速概念 既然光可以被引力发生偏转 就说明光可以被引力加速 也就是说当一束光照向黑洞时候光以超光速度被吸引进去 既然超光速度了 那他发出的光就不能往前照了 而是往后照的 因为时空发生改变 使得我们这个时空标准的世界看不到进去的东西了 而另以个时空标准的世界的人却发现宇宙莫名其妙的发出...
  • 如何理解宇宙膨胀超光速,而我们看到的却几乎没变化?
    答:如何理解宇宙膨胀超光速?这个问题时空通讯已经回答过很多次,看来还有许多人有兴趣,并且没弄清楚,就再啰嗦一遍。这个超光速是基于宇宙很大,有465亿光年可观测半径,这是一个庞大的数字。我们一定要理解光年是一个什么概念。光年就是光在真空中走一年的路程。光速在真空中每秒约30万公里,一个儒略年为...
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    答:宇宙中不仅存在超光速现象,甚至比你想象中的还要多。物理学中,有一个概念是物质的运动速度不可能超过光速,于是我们就对科幻电影里超光速飞行的情节嗤之以鼻,但其实超光速现象在宇宙中比比皆是。一直以来,所说的不可超光速指的是物质的速度极限,就连爱因斯坦的相对论也是以光速作为标准定义的。那...
  • 如何理解宇宙膨胀超光速,而我们看到的却几乎没变化?
    答:这个问题时空通讯已经回答过很多次,看来还有许多人有兴趣,并且没弄清楚,就再啰嗦一遍。宇宙膨胀整体超光速是肯定的,但小尺度很慢。这个超光速是基于宇宙很大,有465亿光年可观测半径,这是一个庞大的数字。我们一定要理解光年是一个什么概念。光年就是光在真空中走一年的路程。光速在真空中每秒约30万...