黃志洵

(中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

(1-β2)+=

“光障”擋不住人類前進(jìn)的腳步
——紀(jì)念第242次香山科學(xué)會(huì)議召開(kāi)10周年

黃志洵

(中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

第242次香山科學(xué)會(huì)議的主題是“宇航科學(xué)前沿與光障問(wèn)題”。如所周知A.Einstein于1905年斷言“超光速?zèng)]有存在的可能”，后人稱為“光障”。但在這次會(huì)議上宋健院士指出，該說(shuō)法僅是假設(shè)，因?yàn)槌馑龠\(yùn)動(dòng)不能完全觀測(cè)，在什么也看不見(jiàn)的地方只能是猜測(cè)或假說(shuō)。現(xiàn)在把太陽(yáng)系內(nèi)飛行稱為航天，系外飛行稱作宇航。估計(jì)在本世紀(jì)將有第一批宇航員飛出太陽(yáng)系并安全返回，而飛出太陽(yáng)系是人類的偉大理想。但這有許多理論與技術(shù)問(wèn)題需要解決。所以必須加大航行速度，應(yīng)達(dá)到光速，可能的話應(yīng)為超光速。

本文回顧了10年前召開(kāi)的第242次香山科學(xué)會(huì)議的成就，探討了2003～2013年間的超光速研究工作。首先對(duì)“光障”和“聲障”作了比較研究，認(rèn)為可壓縮流體力學(xué)可用在超光速研究中，空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展對(duì)突破光障有參考作用。其次討論了信息速度問(wèn)題，指出近10年來(lái)負(fù)群速(NGV)已在許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，而NGV是超光速的一種形式。眾多群速超光速實(shí)驗(yàn)是很大的成績(jī)，從波粒二象性角度看就有可能發(fā)現(xiàn)以超光速運(yùn)動(dòng)的奇異電子。故可考慮改裝加速器，使粒子在通過(guò)某種勢(shì)壘后能量減小從而速度加快(v>c區(qū)域的規(guī)律)。這類似于使用Laval管突破聲障的方法?！疚倪€討論了Alcubierre曲速引擎的改變空時(shí)以實(shí)現(xiàn)超光速宇航方案，雖只是假說(shuō)，但美國(guó)《時(shí)代》周刊已于2012年9月19日?qǐng)?bào)道說(shuō)：“美國(guó)航天局著手研究超光速曲速引擎”。因此，重要之點(diǎn)在于NASA已認(rèn)可超光速宇宙航行。

根據(jù)10年來(lái)超光速研究的發(fā)展，認(rèn)為新學(xué)科“超光速物理”的建立已是既成事實(shí)。最后進(jìn)一步討論了真空中光速c的定義及光速恒定性問(wèn)題。

香山科學(xué)會(huì)議；光障；超光速宇航；超光速物理；曲速引擎

1 引言

1905年A.Einstein[1]在其論文中寫道：“velocities greater than that of light have no possibility of existence”；這一判斷的物理含意是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、能量的輸送、信息的傳遞，其速度均不可能超過(guò)真空中光速c，因而后人將這一限制稱為“光障”(light barrier)。近年來(lái)在國(guó)際上以及我們國(guó)內(nèi)卻開(kāi)展了超光速研究[2]，10年前還成為中國(guó)北京香山科學(xué)會(huì)議的議題，這就引起了人們的關(guān)注。大家知道，香山科學(xué)會(huì)議是由國(guó)家科技部(原國(guó)家科委)發(fā)起，在科技部和中國(guó)科學(xué)院支持下于1993年創(chuàng)辦，得到中國(guó)工程院、教育部等部門的支持和資助，而逐步開(kāi)展工作的。它以探索科學(xué)前沿、促進(jìn)知識(shí)創(chuàng)新為主要目標(biāo)，是高層次、跨學(xué)科、小規(guī)模的常設(shè)性學(xué)術(shù)會(huì)議。其議題集中，前瞻性強(qiáng)，人員檔次較高(多數(shù)為教授、研究員、院士)，因而受到各方面的重視。

2004年11月26日～28日在北京香山飯店召開(kāi)了第242次香山科學(xué)會(huì)議，由北京前沿科學(xué)研究所主辦，《現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展論壇》協(xié)辦。會(huì)議主題是“宇航科學(xué)前沿與光障問(wèn)題”(Frontier Issues on Astronautics and Light Barrier)。與會(huì)專家學(xué)者約50人(內(nèi)院士9人)；會(huì)議執(zhí)行主席為：宋健院士、陳佳洱院士、王越院士。會(huì)議籌備期長(zhǎng)達(dá)14個(gè)月，林金研究員、畢大川研究員和筆者受邀參加籌備工作。為了確定會(huì)議的指導(dǎo)思想，宋院士在會(huì)議前的一年內(nèi)召開(kāi)了3次小型科學(xué)家座談會(huì)，如此認(rèn)真實(shí)屬罕見(jiàn)。中心議題有兩個(gè)：①宇航科學(xué)前沿與光的傳播；②宇宙學(xué)與宇航。主題評(píng)述報(bào)告為“航天、宇航和光障”(宋健)。中心議題報(bào)告有5個(gè)：①宇航中時(shí)間的定義與測(cè)量機(jī)制和超光速運(yùn)動(dòng)(林金)；②超光速研究的40年——回顧與展望(黃志洵)；③暗能量、重力和時(shí)空(余燊)；④萬(wàn)有引力速度，廣義相對(duì)論之精密測(cè)量及宇航應(yīng)用(王力軍)；⑤強(qiáng)子物體內(nèi)的超光速可能性和量子引力問(wèn)題(V.Sabbata)。此外，有15位專家學(xué)者作了學(xué)術(shù)報(bào)告。中國(guó)傳媒大學(xué)向全體代表贈(zèng)送了黃志洵的新作《超光速研究的理論與實(shí)驗(yàn)》(科學(xué)出版社)。

與會(huì)代表對(duì)這次會(huì)議感到振奮。例如，著名電磁理論專家宋文淼研究員于2005年在學(xué)術(shù)刊物上撰文回憶說(shuō)，該會(huì)議“是在科學(xué)發(fā)展的重要時(shí)刻探討關(guān)鍵問(wèn)題的一次重要會(huì)議，標(biāo)志著中國(guó)科學(xué)家對(duì)重大科學(xué)問(wèn)題的參與，具有歷史里程碑的意義?！庇秩?，宋健和林金等航天專家對(duì)超光速研究的介入，使我們深受啟發(fā)，促使筆者思考了許多問(wèn)題，寫出了新的文章。

從第242次香山科學(xué)會(huì)議至今，已過(guò)去了10年。雖然在一篇文章中不可能對(duì)會(huì)議本身和會(huì)后10年來(lái)的研究工作給出全面總結(jié)；本文仍將努力描繪當(dāng)時(shí)和后來(lái)的情況，盡可能介紹中國(guó)科學(xué)家們的有關(guān)工作，并在此基礎(chǔ)上就超光速問(wèn)題闡述筆者的觀點(diǎn)。

2 中國(guó)科學(xué)家論超光速

第242次香山科學(xué)會(huì)議(以下簡(jiǎn)稱“會(huì)議”)為中國(guó)科學(xué)家提供了一個(gè)展示超光速學(xué)術(shù)觀點(diǎn)的平臺(tái)，這里略述其中幾個(gè)報(bào)告的內(nèi)容。主場(chǎng)報(bào)告是“航天、宇航和光障”[3]。宋健首先介紹了世界范圍內(nèi)航天、宇航事業(yè)的發(fā)展及成就，論述了尋找地外生命的問(wèn)題。他認(rèn)為：生命的出現(xiàn)是大自然規(guī)律決定的，在任何適宜的環(huán)境中，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)(地球上是5—10億年)，必然會(huì)出現(xiàn)生命。所以，找液態(tài)水是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)航天深空探測(cè)的目標(biāo)?！舾赡旰?，如果在火星上、木衛(wèi)2和土衛(wèi)6上都找不到生命存在的證據(jù)，人們的注意力必然轉(zhuǎn)向太陽(yáng)系以外的探測(cè)。2004年7月初美國(guó)太空探測(cè)研究所宣布，僅哈勃空間望遠(yuǎn)鏡就單獨(dú)發(fā)現(xiàn)了100多個(gè)太陽(yáng)系外可能的新行星，使已發(fā)現(xiàn)的行星總數(shù)上升到220多個(gè)。

1961年4月前蘇聯(lián)的第一次太空飛行，標(biāo)志著載人航天時(shí)代的開(kāi)始。但當(dāng)時(shí)達(dá)到的飛行速度只有每秒十余公里，大致在第一、第二和第三宇宙速度范圍內(nèi)(7.91km/s，11.18km/s和16.63km/s)。用化學(xué)燃料火箭、多極火箭、原子火箭，難以達(dá)到每秒數(shù)千公里。這在太陽(yáng)系內(nèi)飛行是可以的。例如美國(guó)航天局(NASA)和歐洲航天局(ESA)聯(lián)合制造的卡西尼—惠更斯飛船1997年10月15日發(fā)射后，于2004年7月1日進(jìn)入環(huán)土星軌道，總航程3.5×109km，平均速度為第三宇宙速度16.5km/s。即使平均速度能提高2個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到3000km/s，要飛到半人馬座α和β需要440年。所以要進(jìn)入銀河系必須加大航行速度，直到接近光速，如果可能的話應(yīng)超過(guò)光速。

Einstein的名言：“不可能存在任何大于光速的運(yùn)動(dòng)”，現(xiàn)在被稱為“光障”。航天技術(shù)的發(fā)展迫使人們細(xì)察和反思，為什么飛船不能超過(guò)光速。對(duì)Einstein的著作，應(yīng)該區(qū)別哪些是它的核心理論，哪些是帶有假說(shuō)性的外推。在設(shè)定的范圍內(nèi)(v

宋健認(rèn)為，20世紀(jì)下半葉至今，很多物理學(xué)家繼續(xù)研究存在超光速運(yùn)動(dòng)的可能性。但是，從早期的虛質(zhì)量、快子，到改變空間尺度、超光速傳播、負(fù)質(zhì)量等努力都沒(méi)能繞過(guò)β=v/c=1這個(gè)奇點(diǎn)。從技術(shù)科學(xué)來(lái)看“光障”，這個(gè)奇點(diǎn)的產(chǎn)生不是來(lái)自數(shù)學(xué)，而是來(lái)自以光學(xué)和電磁波手段測(cè)距的技術(shù)基礎(chǔ)。用光學(xué)或雷達(dá)往返信號(hào)時(shí)間間隔之半去定義距離，用這種技術(shù)，由于光速的有限性，根本看不到運(yùn)動(dòng)速度等于和大于c的目標(biāo)，所以它不可能成為研究和發(fā)展超高速宇航的基礎(chǔ)。

SR公式的適用范圍只在vc向地面飛來(lái)，地面將看到一條反轉(zhuǎn)的軌跡，晚發(fā)出(或反射)的信號(hào)早收到，有如離我而去。所以從技術(shù)實(shí)際來(lái)說(shuō)用電磁波不能完全地觀測(cè)超光速運(yùn)動(dòng)。在什么也看不見(jiàn)的地方，或者無(wú)法取得任何信息的領(lǐng)域去討論它是什么樣子，只能是猜測(cè)或假說(shuō)。所以，“光障”只是猜測(cè)，不能把這當(dāng)作“科學(xué)定律”，因?yàn)闆](méi)有試驗(yàn)根據(jù)。無(wú)論如何，我們看不見(jiàn)它不能成為不存在的證據(jù)。

電磁波傳播速度的有限性也限制了超光速雙向宇航通訊的可能性。地面站用電磁波無(wú)法向以接近或超過(guò)光速c運(yùn)動(dòng)的飛船發(fā)出指令或建議。航天技術(shù)呼喚實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們尋找傳播速度大于c的信號(hào)源，只要能找到這種新的信號(hào)源，以光速或超光速作宇宙航行的可能性就會(huì)大為增長(zhǎng)。

航天技術(shù)現(xiàn)在能達(dá)的飛行速度是每秒數(shù)十公里，遠(yuǎn)小于c(0.001c)，所以關(guān)于火箭推力、軌道計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都以Newton力學(xué)為基礎(chǔ)。有人曾用相對(duì)論力學(xué)計(jì)算過(guò)接近光速的飛行速度，并沒(méi)有引起航天界的注意，都覺(jué)得離現(xiàn)實(shí)太遠(yuǎn)，那是遙遠(yuǎn)未來(lái)的事。如果從40年航天技術(shù)實(shí)踐反過(guò)來(lái)檢查SR的計(jì)算結(jié)果，就會(huì)發(fā)現(xiàn)即使在遠(yuǎn)低于光速的情況下，自主導(dǎo)航的工程實(shí)踐與SR動(dòng)力學(xué)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生某些沖突。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)推力依賴其慣性速度的現(xiàn)象就從未發(fā)現(xiàn)過(guò)。

半個(gè)多世紀(jì)的航天技術(shù)實(shí)踐都證明至少在第三宇宙速度(v3=16.6km/s)左右，齊奧爾科夫斯基公式是足夠準(zhǔn)確的，從未發(fā)現(xiàn)過(guò)推力依賴于速度的情況，無(wú)論是飛船上和火箭上用加速表自主測(cè)量和地面光測(cè)、雷測(cè)都證明了這一點(diǎn)。人們常說(shuō)，只有v接近c(diǎn)時(shí)才會(huì)發(fā)生。那也要有實(shí)驗(yàn)證明才能作為解決技術(shù)問(wèn)題的基礎(chǔ)。所以利用狹義相對(duì)論動(dòng)力學(xué)公式去計(jì)算航天器飛行速度要十分謹(jǐn)慎?！?/p>

宋健報(bào)告的重點(diǎn)在于，認(rèn)為飛出太陽(yáng)系是人類偉大的理想。要飛出太陽(yáng)系面臨很多理論和技術(shù)問(wèn)題，要一步一步解決?？茖W(xué)界已開(kāi)始考慮和工作。若干年后，將會(huì)有第一批宇航員飛出太陽(yáng)系并安全返回，那將是一個(gè)新的宇航時(shí)代的開(kāi)始?！傊?，他的報(bào)告大氣磅礴，既充滿激情又腳踏實(shí)地，10年后重讀之仍令人激動(dòng)。最后他回顧了人類突破聲障實(shí)現(xiàn)超聲速飛行的歷史，期待在光障問(wèn)題上也有類似前景。在報(bào)告中他提到，近年來(lái)很多學(xué)者對(duì)超光速存在的可能性進(jìn)行了大量研究，許多結(jié)果令人鼓舞。中國(guó)科學(xué)家在超光速及相關(guān)問(wèn)題上也取得了進(jìn)展。例如，2000年王力軍等率先在光頻以量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了超光速群速和負(fù)群速；北京大學(xué)陳徐宗等在光頻以實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了超慢光速和負(fù)群速；北京廣播學(xué)院黃志洵、逯貴禎等在短波以實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了模擬光子晶體結(jié)構(gòu)中的超光速群速。這些進(jìn)展體現(xiàn)了中國(guó)科學(xué)家的創(chuàng)新精神和努力，是非?？上驳摹?/p>

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院林金研究員是衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航專家、國(guó)際宇航科學(xué)院院士；他在作報(bào)告時(shí)說(shuō)[4]：火箭自主慣性導(dǎo)航理論模型發(fā)人深省之處在于：一個(gè)運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)自己可以測(cè)量自己相對(duì)一個(gè)給定慣性系的加速度、速度和位置，作為運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)上自帶的鐘固有時(shí)間的函數(shù)。原理上無(wú)需與外界交換信息，可以不存在任何信號(hào)傳遞的速度問(wèn)題。自主的純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是基于引力場(chǎng)的基本性質(zhì)；即使沒(méi)有光和電磁場(chǎng)，純慣性系統(tǒng)照樣工作，照常自主定位、自主測(cè)速。那么在一個(gè)只有引力場(chǎng)而無(wú)電磁場(chǎng)的世界中，為何每秒30萬(wàn)公里會(huì)成為速度的極限？……只要開(kāi)發(fā)出新型動(dòng)力源，宇宙飛船航行速度不存在上限，未來(lái)的載人宇航理論上沒(méi)有限制”?！谶@里還要指出，到2010年林金[5]更深刻地對(duì)超光速宇航可能性作了論述。他指出，Einstein早年的理論是對(duì)今天慣性導(dǎo)航原理的描述，而后者只用一只鐘的固有時(shí)間，完全自主，無(wú)需發(fā)射或接收光(電磁)信號(hào)與外界聯(lián)系。飛船相對(duì)慣性坐標(biāo)系作加速飛行，只要積分時(shí)間夠長(zhǎng)，飛船相對(duì)慣性系的速度可以超過(guò)c。3×108m/s被9.8m/s2除，得到354天，亦即大約一年后飛船速度超過(guò)3×108m/s。也就是說(shuō)，宇航員只看慣性儀表指示即可作超光速宇航。

中國(guó)傳媒大學(xué)黃志洵教授的報(bào)告講了以下幾方面內(nèi)容[2]：Einstein為何認(rèn)定有“光障”存在；超光速研究的3個(gè)階段；不越出SR框架的超光速研究；幾類不同的超光速問(wèn)題；關(guān)于負(fù)波速；Proca電磁理論中的波速度；關(guān)于引力速度。他認(rèn)為幾十年研究已證明超光速可以實(shí)現(xiàn)，但還處在初步階段。

首都師范大學(xué)物理系耿天明教授在報(bào)告中說(shuō)[6]，一個(gè)由真空的電磁特性常數(shù)ε0和μ0決定的電磁作用傳遞速度c=(ε0μ0)-1/2為什么可以操控其他所有作用的傳遞快慢？這是難于理解的。電磁場(chǎng)其實(shí)是一種特殊的現(xiàn)象，它不具有普遍性。自然界存在各種類型的作用，在形式上有力、勢(shì)、關(guān)聯(lián)或糾纏，在途徑上有通過(guò)媒介的和直接超距的；在傳遞速度上有光速和超光速的。例如電磁場(chǎng)理論是針對(duì)電磁作用而言的，并不涉及引力作用，因此，本該和Newton引力論各司其事，并行發(fā)展。但相對(duì)論的出現(xiàn)打破了二者并行不悖的局面。狹義相對(duì)論雖不涉及引力問(wèn)題，但Einstein稱光速c是一切物理作用和信息的傳遞速度之最高極限，不得違反，并將此“戒律”作為一條原則(常被稱為光速極限原則或定域性原則)，去判別一個(gè)物理事件或過(guò)程能否發(fā)生，這就不對(duì)了。自然界原本是豐富多彩的，所以對(duì)它的理論描述和解釋不能過(guò)分簡(jiǎn)單化。

西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院楊新鐵教授是空氣動(dòng)力學(xué)家，他在題為“突破光障”的報(bào)告中說(shuō)[7]，空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的早期遇到的困難和探討超光速問(wèn)題遇到的困難相類似?？紤]亞聲速情況下流動(dòng)的性質(zhì)，按照小擾動(dòng)理論，對(duì)于縮口管道流動(dòng)來(lái)說(shuō)，如果把相對(duì)靜止時(shí)的質(zhì)量密度看成是ρ0，那么相對(duì)速度為β時(shí)的質(zhì)量密度就增長(zhǎng)為：

(1)

式中ρ=v/c，即Mach數(shù)(在航空界用M)，現(xiàn)在c不是光速而是聲速。這個(gè)關(guān)系和相對(duì)論力學(xué)中的質(zhì)速關(guān)系完全一樣；后者為

(2)

在其他學(xué)術(shù)報(bào)告中，北京師范大學(xué)天文系曹盛林教授從Finsler幾何角度分析了超光速可能性等問(wèn)題[8]；北京大學(xué)陳徐宗教授介紹了課題組在光頻完成的負(fù)群速實(shí)驗(yàn)[9]；中國(guó)傳媒大學(xué)逯貴禎教授介紹了課題組在短波完成的同軸光子晶體群速超光速實(shí)驗(yàn)[10]；首都師范大學(xué)物理系沈京玲教授介紹了英國(guó)科學(xué)家在太赫波段利用消失波(微型截止波導(dǎo)和雙三棱鏡)完成的超光速實(shí)驗(yàn)[11]；北京石油化工學(xué)院董晉曦教授詳細(xì)論述了SR理論中光速不變?cè)泶嬖诘膯?wèn)題[12]?！@些報(bào)告都給人耳目一新之感。

3 “突破光障”與“突破聲障”的比較研究

對(duì)會(huì)議的回憶到此為止，以下將論述超光速研究的發(fā)展，并提出筆者的觀點(diǎn)。首先用比較研究法討論“突破光障”與“突破聲障”。如所周知，聲學(xué)和光學(xué)是兩門不同的學(xué)科。聲波是聲源在媒質(zhì)中引起質(zhì)點(diǎn)在平衡位置振動(dòng)造成的，是機(jī)械波，在真空中不能傳播。光波是電磁波，在真空中可以傳播。聲速和光速的差別非常大，接近6個(gè)數(shù)量級(jí)——空氣中聲速c=344m/s(20℃時(shí))；真空中光速c=299792458m/s，在媒質(zhì)中光速為c/n(n是折射率)。兩個(gè)方面似乎缺乏可比性。然而，無(wú)論聲波或光波，波速均等于波長(zhǎng)與頻率的乘積，與波的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。在“波動(dòng)光學(xué)”與“波動(dòng)聲學(xué)”中，波的行為有相似的規(guī)律[13]；在反射、透射、衍射和散射方面界面上的狀況如此接近，甚至近年來(lái)的熱門研究課題“負(fù)折射”(negative refraction)，可以在相距遙遠(yuǎn)的波段(超聲波與可見(jiàn)光)做非常類似的實(shí)驗(yàn)，得到幾乎一致的物理現(xiàn)象。我們都知道在微波有金屬壁管子做成的波導(dǎo)(waveguide)；在光頻有介質(zhì)光波導(dǎo)(optical waveguide)，即光纖；而在聲頻也有聲波導(dǎo)(acoustic waveguide)。其傳播規(guī)律是：橫截面上不同的模式有不同的聲場(chǎng)分布，每個(gè)模有自己的截止頻率(cutoff frequency)，只有高于它(f>fc)的聲波才能傳播。低于截頻(f

18世紀(jì)時(shí)數(shù)學(xué)家L.Euler在論文“論聲音的傳播”中給出了3維波方程

(3)

(4)

(5)

(6)

理想流體的可壓縮流有多種解法，其中之一是擾動(dòng)線化法。參考直勻流的情況，規(guī)定來(lái)流的流速為v∞，聲速為c∞，Mach數(shù)為M∞；那么位(勢(shì))壘方程經(jīng)處理和線化后，在2維流動(dòng)條件下可得

(7)

所謂聲障是指飛行器的速度曾長(zhǎng)時(shí)間在亞音速(M<1)的水平上徘徊，以聲速(M=1)飛行的企圖遇到了實(shí)在的困難。早期的飛機(jī)速度慢，按不可壓縮流體處理空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題便可滿足要求。當(dāng)M≥0.4，可壓縮效應(yīng)漸顯，接近聲速(M→1)時(shí)機(jī)頭前空氣密度急劇增大。當(dāng)M=1，流體中的擾動(dòng)相對(duì)于飛機(jī)已不傳播，而是集中形成波面；機(jī)頭與前面空氣相遇時(shí)強(qiáng)烈壓縮，密度劇增形成無(wú)形的墻(激波)，造成的阻力稱為波阻。它消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率約75%，帶來(lái)很大困難。這時(shí)需要發(fā)展“近聲速空氣動(dòng)力學(xué)”和“超聲速空氣動(dòng)力學(xué)”。

錢學(xué)森和T.von Kármán在30年代最早提出了高超聲速流的概念，為飛機(jī)克服聲障提供了理論依據(jù)。他們的理論應(yīng)用于高亞聲速飛機(jī)的設(shè)計(jì)；實(shí)際上是在亞聲速區(qū)域內(nèi)把小擾動(dòng)理論向非線性有所推進(jìn)，雖然不能用于超聲速問(wèn)題的計(jì)算，但避免了奇點(diǎn)——在v=c時(shí)不會(huì)出現(xiàn)無(wú)限大質(zhì)量密度。實(shí)際上，超聲速飛機(jī)穿過(guò)聲障時(shí)的氣體密度只增大6倍[3]。在技術(shù)上，40年代有兩大突破，一是后掠翼理論，二是使用Laval噴管，終于在1947年實(shí)現(xiàn)了超聲速飛行。理論方面必須掌握以下要點(diǎn)，首先是空氣動(dòng)力學(xué)中，可壓縮流體的速度勢(shì)的波方程，經(jīng)過(guò)線性化的形式為

(8)

這里我們用符號(hào)β取代符號(hào)M，是為了把相對(duì)論與空氣動(dòng)力學(xué)作比較。上式表示，從本質(zhì)上講波動(dòng)力學(xué)的基本操作是對(duì)微分方程的辨識(shí)和求解。其次，在轉(zhuǎn)到超聲速區(qū)域后，物理規(guī)律也變了——壓力越低、密度越小，速度反而不斷增大。這時(shí)密度隨相對(duì)速度變化的規(guī)律改變?yōu)?/p>

(9)

因而即使β>1，也不出現(xiàn)虛數(shù)。

回顧突破“聲障”的過(guò)程，要點(diǎn)在于空氣動(dòng)力學(xué)經(jīng)歷了從線性化處理到作為非線性系統(tǒng)而處理的階段。然而SR自誕生后就凝固化了，仍停留在初期的線性化階段，而且理論物理學(xué)家拒絕作任何改變。航空界的飛機(jī)設(shè)計(jì)師們卻沒(méi)有諸多的理論思想限制，很快就實(shí)現(xiàn)了超聲速飛行。因此，為了突破“光障”或許應(yīng)當(dāng)對(duì)SR添加一些高階的非線性修正；而且也不能把Lorentz-Einstein質(zhì)速公式當(dāng)作教條而死抱不放。正如國(guó)際宇航聯(lián)合會(huì)(IAF)的P.A.Murad[16]所說(shuō)：“創(chuàng)建超光速宇宙飛船是一種挑戰(zhàn)；雖然超光速航行與狹義相對(duì)論(SR)矛盾，但該理論并非包容一切，而是處理亞光速問(wèn)題的理論”。

如果人類將來(lái)可以突破光障，是否就能進(jìn)行超光速宇航？回答是非常困難，但并非毫無(wú)希望?；瘜W(xué)燃料推進(jìn)火箭的速度距光速c非常遠(yuǎn)(v/c=6×10-5)。將來(lái)改用新技術(shù)時(shí)，可變比沖磁等離子體火箭可達(dá)v/c=10-3；氘核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)火箭可達(dá)v/c=5×10-3；太陽(yáng)帆可達(dá)v/c=10-2(激光驅(qū)動(dòng)時(shí)可達(dá)3×10-1)；束芯反物質(zhì)火箭可達(dá)v/c=5×10-1?！揽窟@些已有的或可能有的技術(shù)手段，都不足以實(shí)現(xiàn)v/c≥1。為實(shí)現(xiàn)超光速宇航，目前已在概念上進(jìn)行討論的方法有：暗物質(zhì)火箭，黑洞星船，曲速引擎。提出者認(rèn)為它們可以用極高的超光速飛往其他星系。

4 “超光速物理”學(xué)科逐漸成型

超光速研究涉及物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力、質(zhì)量和能量與速度的關(guān)系、量子非局域性、宇宙中幾種基本作用、波動(dòng)現(xiàn)象的內(nèi)涵、波粒二象性、光的本性、不同媒質(zhì)間界面上的折射和反射、Gasimir效應(yīng)、對(duì)光速的認(rèn)識(shí)與測(cè)量……等眾多問(wèn)題，當(dāng)然它也就成為通向更深刻的理論物理和實(shí)驗(yàn)物理的切入點(diǎn)。由于研究工作數(shù)量擴(kuò)大、質(zhì)量提高，近年來(lái)出現(xiàn)了“超光速物理”(Superluminal Light Physics，SLP)的提法[17]。我們認(rèn)為這是事物發(fā)展的自然結(jié)果，雖然物理學(xué)界迄今并不認(rèn)為有這一學(xué)科存在。按照筆者的觀點(diǎn)，如果SLP可以成立，它還應(yīng)包括粒子的近光速力學(xué)和超光速力學(xué)，以及超光速波動(dòng)力學(xué)；甚至還應(yīng)包含粒子隧穿(勢(shì)壘)動(dòng)力學(xué)；如此等等。

2007年出現(xiàn)了兩本引人注目的專著，一是宋健的《航天縱橫》[20]；二是國(guó)防科技大學(xué)譚暑生教授的《從狹義相對(duì)論到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)空論》[21]。后者55.7萬(wàn)字，是作者在1983年提出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)空論后多年研究的全面總結(jié)，宋健院士作序。此書(shū)在建立自己的理論體系的同時(shí)對(duì)以下概念作了否定：同時(shí)的相對(duì)性、局域性和光速極限性。該理論承認(rèn)超光速運(yùn)動(dòng)的可能性，而無(wú)需依靠虛質(zhì)量。在書(shū)的結(jié)尾處說(shuō)：“現(xiàn)代物理學(xué)中的事實(shí)是：波函數(shù)ψ的相速度始終是超光速的；電子自旋的線速度是超光速的；暴脹宇宙學(xué)中存在超光速膨脹的物質(zhì)相互作用?！瓨?biāo)準(zhǔn)時(shí)空論的研究表明，超光速聯(lián)系、超光速作用和超光速運(yùn)動(dòng)是允許存在的，不與任何已有的實(shí)驗(yàn)事實(shí)相悖。利用超光速的彌散態(tài)背景場(chǎng)，可以建立宇宙中各種文明之間的通訊聯(lián)系。可以設(shè)想在星際空間作彌散態(tài)的超光速飛行。……研究和掌握超光速運(yùn)動(dòng)的科學(xué)技術(shù)，是意義無(wú)與倫比的事業(yè)。研究和掌握超光速科學(xué)技術(shù)，人類才能真正擺脫孤獨(dú)和愚昧，與各外星文明聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)入嶄新的時(shí)代！”

2008年筆者的書(shū)《超光速研究及電子學(xué)探索》出版[22]，內(nèi)有7篇論文涉及超光速研究。其中的“引力傳播速度研究及有關(guān)科學(xué)問(wèn)題”一文，詳細(xì)論述了為什么引力作用傳播速度不可能是c，而是比c大很多的值；同時(shí)給出了引力波不可能存在的原因。另一篇文章探討了負(fù)速度問(wèn)題。

2009年季灝發(fā)表了題為“量熱學(xué)法測(cè)量電子能量實(shí)驗(yàn)”一文[23]，在直線加速器上產(chǎn)生(6～15)Mev的高速電子轟擊一個(gè)鉛靶，用量熱法測(cè)量電子的動(dòng)能，從而研究電子的質(zhì)速關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與SR有很大矛盾，與Newton力學(xué)卻接近。亦即認(rèn)為電子質(zhì)量與速度無(wú)關(guān)，而Lorentz力與速度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)時(shí)電子速度達(dá)0.9997c。

近年來(lái)，上海交通大學(xué)的不同團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了研究并在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文。例如2011年張亮等在PRL刊登的文章“建基于Brillouin激光振蕩之上的光纖中的負(fù)群速超光速傳播”[17]。又如2012年任懷瑾等在PRL刊登的文章“反常色散媒質(zhì)中的非線性Chrenkov輻射”[24]。后者的研究表明，當(dāng)激光進(jìn)入介質(zhì)并激發(fā)非線性極化波時(shí)，特定的微納結(jié)構(gòu)可以對(duì)該極化波的相位傳播進(jìn)行可控的加速，從而實(shí)現(xiàn)“超光速”這一特殊物理過(guò)程，并產(chǎn)生奇異的光輻射現(xiàn)象。群速度超光速為SR所不容，而相速度超光速卻在自然界中普遍存在。如由著名的de Broglie物質(zhì)波方程可推導(dǎo)出具有波粒二象性的基本粒子如電子、質(zhì)子等，其相速度均超過(guò)光速。de Broglie將其歸結(jié)為四維空間在三維世界上的投影，即維度缺失，導(dǎo)致了四維空間中相速度并未超過(guò)光速的粒子在三維世界中表現(xiàn)出“超光速”的現(xiàn)象。文章作者發(fā)現(xiàn)用特定微納結(jié)構(gòu)可以使介質(zhì)中自由傳播的非線性極化波發(fā)生維度缺失，在理論上預(yù)期了當(dāng)傳播由三維退化為二維和一維時(shí)，非線性極化波將出現(xiàn)相速度超光速的現(xiàn)象。根據(jù)Huygens原理，相速度超光速將引發(fā)Chrenkov輻射(類似于戰(zhàn)機(jī)超聲速飛行時(shí)引發(fā)的聲障)。這一點(diǎn)得到了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證實(shí)，即通過(guò)人為改變極化波的相速度，可以實(shí)現(xiàn)可控的光輻射輸出。同時(shí)由于相速度可以任意加快，實(shí)驗(yàn)證明了在傳統(tǒng)的禁忌區(qū)域同樣可以產(chǎn)生Cherenkov輻射。這項(xiàng)研究由陳險(xiǎn)峰教授課題組獨(dú)立提出并實(shí)驗(yàn)證實(shí)，拓展了人們對(duì)非線性光學(xué)過(guò)程及其應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)以上實(shí)例，可以看到“超光速物理”作為學(xué)科確已逐漸成型。本文以下的內(nèi)容將更證明這一觀點(diǎn)。因此對(duì)它的陳述不是提出建議，而是對(duì)眾多情況和事實(shí)的歸納命名。

5 NASA研究曲速引擎

2012年9月19日美國(guó)《Time》周刊網(wǎng)站稱：“NASA actually working on faster-than-light warp drive”(9月21日中國(guó)《參考消息》報(bào)刊出時(shí)題為“NASA著手研究超光速曲速引擎”)。這表示美國(guó)航天局已在安排專家研究超光速宇宙航行的問(wèn)題，證明許多中外科學(xué)家的意見(jiàn)，包括宋健院士、林金研究員、筆者和楊新鐵教授的觀點(diǎn)，在總體上是正確的——考慮未來(lái)的航天和宇航時(shí)超光速是必由之路；這就給了我們精神上的鼓舞和科學(xué)上的期望。

Miguel Alcubierre是墨西哥物理學(xué)家，上世紀(jì)90年代在英國(guó)Wales大學(xué)物理與天文系任教，后又參加德國(guó)Max Planck研究所的工作。1994年他寫了一篇文章題為“The warp drive：hyper-fast travel with general relativity”(“曲速引擎：廣義相對(duì)論中的超高速旅行”)[25]。文章說(shuō)，本文在廣義相對(duì)論(GR)框架內(nèi)在不引入蟲(chóng)洞(wormholes)的條件下證明改變空時(shí)(spacetime)即可使宇宙飛船以任意的超大速度飛行。如局部擴(kuò)張飛船后部的時(shí)空和收縮飛船前面的時(shí)空，處在干擾區(qū)以外的觀察者就會(huì)看到飛船以超光速運(yùn)動(dòng)。造成畸變令人聯(lián)想到科幻小說(shuō)中的“曲速引擎”?！挠?9個(gè)編了號(hào)的公式，是在GR框架內(nèi)的推導(dǎo)演算。按照筆者的理解，所謂warp drive，是利用Einstein的4維時(shí)空觀念而避免讓實(shí)體飛船作真實(shí)的光速或超光速飛行。據(jù)說(shuō)，在兩個(gè)時(shí)空區(qū)之間放一球體，可創(chuàng)建一個(gè)移動(dòng)球體周圍時(shí)空的“曲速泡”——它以超光速飛行，而飛船本身無(wú)需運(yùn)動(dòng)(就本地參照系而言)。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是要有特殊物質(zhì)以彎曲時(shí)空，而這需要木星級(jí)別的巨大能量?！F(xiàn)在H.White說(shuō)，可以用改變曲速引擎的幾何形狀的方法簡(jiǎn)單地解決能量問(wèn)題。這觀點(diǎn)發(fā)表在2012年秋在美國(guó)召開(kāi)的《星艦(star ship)百年研討會(huì)》上，而H.White是NASA的物理學(xué)家。

在GR中，時(shí)間、空間被看成一個(gè)整體，即“空時(shí)”(space-time)或“時(shí)空”(time-space)；由于把引力描述為一種數(shù)學(xué)的(幾何的)屬性，“空時(shí)”或“時(shí)空”被認(rèn)為可以彎曲，而時(shí)空曲率與時(shí)空中的物質(zhì)和輻射的能量—?jiǎng)恿繌埩肯嗦?lián)系，并由引力場(chǎng)方程描寫這種聯(lián)系?！瑼lcubierre引擎方案是在認(rèn)同相對(duì)論(SR和GR)正確性之下提出的，或許對(duì)超光速宇航而言只有象征性意義，缺乏現(xiàn)實(shí)性。我們認(rèn)為所述方法是什么并不重要，要緊的是我們這星球最大的航天及宇航機(jī)構(gòu)(NASA)對(duì)“超光速旅行”的重視。NASA所鼓勵(lì)的是科學(xué)家們要大膽思考和提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不能局限在某一種方法上；而超光速宇航才是根本目標(biāo)。

6 信息能否以超光速傳播

近10年來(lái)人們一直關(guān)注波速度問(wèn)題，興趣在于改變光脈沖的群速，產(chǎn)生光停、慢光、快光(快光faste-light指超光速的光)。在2001年，科學(xué)家已認(rèn)識(shí)到能量傳送速度超光速是可能的，條件是vg/c要很大[2，26]。在這一時(shí)期對(duì)負(fù)速度的認(rèn)識(shí)也逐步深化。負(fù)群速的最早研究是在1914年，A.Sommerfeld和L.Brillouin[27]揭示出：NGV是比vg=∞還要快的速度。而在此前的1907年，A.Einstein[28]否定了負(fù)速度和信號(hào)以超光速傳送的可能。

信息能否以超光速傳送是人們最關(guān)心的問(wèn)題?！叭核俨皇切畔⑺俣取钡恼f(shuō)法最早見(jiàn)于Brillouin的1960年著作，講的不是信息速度而是信號(hào)速度(vs)，是為了聲明“The signal velocity is always less than(or at most equal to) the velocity of light in vacuum”。信號(hào)速度定義的依據(jù)是：“The arrival of the signal can be arbitrarily defined as the moment when the path of integration reaches the polejω”。亦即“信號(hào)到達(dá)時(shí)間可人為地定義為積分路徑到達(dá)極點(diǎn)jω0的時(shí)間”。分析和計(jì)算的結(jié)果為：在遠(yuǎn)離ω0附近的區(qū)域與vg相同，在ω0附近vs≠vg；由于c/vs>1，vs

我們認(rèn)為，無(wú)論信息速度也好，信號(hào)速度也好，根本點(diǎn)是消息傳送的快慢。眾所周知，技術(shù)上傳送信息的方式是用已調(diào)波(modulated waves)，即把有用信息用波包的方式(通常頻率較低)調(diào)制在載波(通常頻率較高)之上，作整體性的輸運(yùn)。人們?nèi)粘Ｉ钏玫膹V播信號(hào)、電視信號(hào)都是如此。因此根本問(wèn)題在于整個(gè)波群的傳輸，而波包在傳送過(guò)程中不發(fā)生失真才是最重要的要求。設(shè)波群由z=0處傳輸?shù)絲=l處，傳播常數(shù)=α+jβ，這時(shí)筆者曾導(dǎo)出下述方程[29]：

β(ω)?a+vgω

(10)

可以看出：若vg在頻帶δω中不變(或說(shuō)群折射率ng在頻帶δω中不變)，頻帶內(nèi)相位常數(shù)與頻率呈線性關(guān)系；若頻帶內(nèi)衰減常數(shù)恒定，則傳播中波群(例如光脈沖)的形狀不會(huì)改變，即不產(chǎn)生失真。而B(niǎo)rillouin的信號(hào)速度定義存在問(wèn)題，數(shù)學(xué)意義超越物理意義。因此我們可以大膽推斷說(shuō)，眾多NGV研究者已觀察到的現(xiàn)象或許就是超光速通信。

1991年筆者在專著[14]中公布了自己的發(fā)現(xiàn)——在截止波導(dǎo)中消失態(tài)(evanescent state)條件下，既可能出現(xiàn)負(fù)群速，也可能(經(jīng)由負(fù)相位常數(shù))出現(xiàn)負(fù)相速。SB理論雖然早就提出可能出現(xiàn)負(fù)群速，但在當(dāng)時(shí)卻說(shuō)不出在何種物理?xiàng)l件下NGV會(huì)現(xiàn)身；至于NPV(負(fù)相速)則被排除了可能性。英國(guó)Strathclyde大學(xué)的科學(xué)家于1999～2000年間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[30]，方法是對(duì)超薄金屬板(厚度幾十微米)用激光打孔，直徑50μm的圓孔形成為獨(dú)特的截止波導(dǎo)，從而可在比微波更高的波段(太赫T-rays)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了負(fù)相速的存在?！罱那闆r是，海峽兩岸都在研究NGV——有的用同軸線構(gòu)建同軸光子晶體(CPC)，如中國(guó)傳媒大學(xué)[31]和西安電子科技大學(xué)[32]；有的用級(jí)聯(lián)波導(dǎo)，如臺(tái)灣清華大學(xué)[33]；有的用光纖，如上海交通大學(xué)[17]。國(guó)外的工作，有的用級(jí)聯(lián)波導(dǎo)[34]，有的用微帶線[35]；不贅述。

研究“信息以超光速傳播”的重要性不低于研制某種新引擎。NASA于1972年發(fā)射的“Pioneer 10”(譯作“先驅(qū)者10號(hào)”)探測(cè)器被稱為地球人類向外太空派出的首位形象大使，攜帶有C.Sagan等天文學(xué)家設(shè)計(jì)的“宇宙名片”。2003年1月NASA曾與這個(gè)唯一飛出太陽(yáng)系的人造物體聯(lián)系，費(fèi)時(shí)11h，這是太慢了；宇宙之大使我們不再把速度c看作一種非?？斓乃俣?，而地面站發(fā)出的指令和通信只能用電磁波(傳送速度為c)這一點(diǎn)就限制了宇宙中相互聯(lián)系的效率。還可以設(shè)想另一種情況：在將來(lái)人類可以乘坐超光速宇宙飛船離開(kāi)太陽(yáng)系了(姑且這么說(shuō))，但地球上發(fā)出的電磁信號(hào)或光信號(hào)追不上它，也沒(méi)有回復(fù)的可能——用電磁波無(wú)法觀測(cè)超光速運(yùn)動(dòng)。應(yīng)當(dāng)開(kāi)展相關(guān)的研究工作，道路仍然漫長(zhǎng)。

必須指出，與此相關(guān)的“能速可否超光速”是無(wú)法回避的問(wèn)題。通常把能速ve定義為單位時(shí)間內(nèi)能量傳送的距離。沿波的傳播方向，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)面積A的能量W就是貯存在截面A、長(zhǎng)度ve的柱體內(nèi)的能量，即vew0(w0為單位長(zhǎng)度的貯能)；故有ve=W/w0，即能流密度/能量密度。深入的理論分析可以證明，由于左手材料(LHM)的出現(xiàn)而造成了下述可能：在正常色散區(qū)實(shí)現(xiàn)相速、群速、能速都大于光速。因此信息(信號(hào))速度以超光速傳送在理論上是可實(shí)現(xiàn)的。

7 中微子飛行速度問(wèn)題

中微子以什么速度飛行？過(guò)去的說(shuō)法有3種：亞光速、光速、超光速。2011年9月22日出版的《Nature》文章說(shuō)[36]：“neutrinos can travel faster-than-light”；此報(bào)道是根據(jù)一篇預(yù)印網(wǎng)站論文(arXiv.org)[37]。由于這些報(bào)道，掀起了一股熱潮；在國(guó)外和國(guó)內(nèi)，都有贊成(中微子以超光速飛行)和反對(duì)兩種意見(jiàn)。在筆者建議下《科技日?qǐng)?bào)》于2011年11月7日組織了“超光速科學(xué)問(wèn)題學(xué)術(shù)研討會(huì)”，包括程津培院士、張鐘華院士在內(nèi)的20多位專家學(xué)者及報(bào)社人員與會(huì)?！跗诘南⒑头磻?yīng)較為樂(lè)觀，但在2012年2月23日新華網(wǎng)自日內(nèi)瓦發(fā)出電訊說(shuō)，歐洲核子研究中心(CERN)在公報(bào)中承認(rèn)，該機(jī)構(gòu)參與的名為“中微子振蕩實(shí)驗(yàn)”的項(xiàng)目中使用的測(cè)速方法存在問(wèn)題。其中一處問(wèn)題與為測(cè)量提供GPS同步服務(wù)的振蕩器有關(guān)，可能導(dǎo)致對(duì)中微子運(yùn)行時(shí)間的測(cè)量值偏大。另一處問(wèn)題出在為項(xiàng)目主計(jì)時(shí)器導(dǎo)入GPS信號(hào)的光纖連接器上，與上一問(wèn)題相反，該問(wèn)題可能導(dǎo)致對(duì)中微子運(yùn)行時(shí)間的測(cè)量值偏小。又說(shuō)：“中微子振蕩實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目的研究人員正在就兩處問(wèn)題的潛在影響進(jìn)行評(píng)估。按照計(jì)劃，新一輪實(shí)驗(yàn)將于5月啟動(dòng)。”然而后來(lái)一直沒(méi)有歐洲人再次實(shí)驗(yàn)的消息。筆者就此事詢問(wèn)很早就研究中微子飛行速度問(wèn)題的張操教授，他回答說(shuō)：“中微子速度的確超過(guò)光速。1987年2月，超新星SN1987A爆發(fā)時(shí)，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)其中既有中微子又有光子，中微子到達(dá)地球的時(shí)間比光子早了3個(gè)多小時(shí)。……” 2011年10月18日，《科技日?qǐng)?bào)》社已舉行過(guò)一次“中微子超光速問(wèn)題研討會(huì)”。在會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院理論物理所李淼研究員也曾提到上述事件：“SN1987A超新星距地球16.83萬(wàn)光年，于公元前1681萬(wàn)年左右爆發(fā)，1987年光抵達(dá)地球。在光到地球的3h前，世界各地有3臺(tái)中微子探測(cè)器同時(shí)測(cè)到一股中微子爆發(fā)，這似乎表明中微子比光快。”關(guān)于OPERA實(shí)驗(yàn)，他說(shuō)“其初衷是研究中微子振蕩，追尋τ中微子的蹤跡。但出人意料的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)中微子比光子跑得快。中微子實(shí)際傳播732km，旅行時(shí)間0.0024s”；速度測(cè)量的難點(diǎn)是如何精確測(cè)量距離和時(shí)間。計(jì)算結(jié)果表明，中微子速度為299798454 m/s，比真空中光速c(299792458 m/s)快了5996 m/s。他認(rèn)為要檢查測(cè)量中的系統(tǒng)誤差，又評(píng)估了如果OPERA實(shí)驗(yàn)屬實(shí)對(duì)物理學(xué)理論可能產(chǎn)生的影響。

“中微子超光速”熱潮早已過(guò)去。筆者的觀點(diǎn)是，歐洲科學(xué)家前后矛盾，發(fā)出了混亂的信號(hào)，174位實(shí)驗(yàn)者直到現(xiàn)在也未有人出來(lái)作清楚的交代。一些物理學(xué)家可能認(rèn)為事情已結(jié)束，中微子沒(méi)有(也不可能)以超光速飛行。我們認(rèn)為情況并非如此，OPERA實(shí)驗(yàn)沒(méi)有證明中微子以超光速飛行，不等于已證明中微子不可能以超光速飛行?，F(xiàn)在并沒(méi)有它以亞光速或光速飛行的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這樣一來(lái)，中微子飛行速度仍處在未知領(lǐng)域。2012年，中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理所研究員艾小白在北歐刊物上發(fā)表文章(Ai X B，Phys.Scripta，2012，Vol.85，045005，1～4)，對(duì)OPERA實(shí)驗(yàn)測(cè)量其能量—速度關(guān)系，以幫助判斷。

其實(shí)，近年來(lái)發(fā)生了另一件重要的事，卻從未引起大家注意：瑞士科學(xué)家N.Gisin領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)經(jīng)多年研究，完成了對(duì)“光子糾纏態(tài)傳播速度”的測(cè)量，結(jié)果是超過(guò)光速c很多倍，但不是無(wú)限大[38]。限于篇幅，本文不再論述這個(gè)問(wèn)題。

8 關(guān)于改裝加速器和尋找超光速粒子

1907年，A.Sommerfeld在其著作《理論物理學(xué)教程·光學(xué)卷》中說(shuō)，Maxwell方程組對(duì)超光速運(yùn)動(dòng)客體也同樣適用。而在此前的1904年，Sommerfeld發(fā)表過(guò)一篇文章[見(jiàn)K.Akad.Wet.Amsterdan Proc.，8(1904)，346]，討論了超光速粒子假如存在會(huì)出現(xiàn)的情況(如粒子失去能量時(shí)會(huì)加速運(yùn)動(dòng)，獲得能量時(shí)會(huì)減速運(yùn)動(dòng))。就是說(shuō)，在SR提出之前，A.Sommerfeld曾認(rèn)真地考慮過(guò)超光速問(wèn)題，并不排除超光速運(yùn)動(dòng)的可能性。

20世紀(jì)60年代人們開(kāi)始以實(shí)驗(yàn)尋找快子(tachyons)[39]，沒(méi)有成功。90年代以來(lái)超光速實(shí)驗(yàn)有所進(jìn)展，主要是發(fā)現(xiàn)短波脈沖、微波脈沖、光脈沖能以超光速傳送，無(wú)論對(duì)無(wú)源媒質(zhì)(passive media)或增益媒質(zhì)(gain media)均如此。速度可以是光速c的數(shù)倍，但也可能是非常大。另外，在負(fù)波速(超光速的一種形式)方面論文很多，成績(jī)突出。不僅如此，還發(fā)現(xiàn)電磁波(光波)的本身也可以被加速而成為超光速。在粒子方面，早在1993年就有Berkeley加州大學(xué)(UC-Berkeley)完成的“光子賽跑實(shí)驗(yàn)”，按論文作者的姓氏排序稱為SKC實(shí)驗(yàn)[40]，確定單光子可以按照比c大70%的速度運(yùn)動(dòng)(v/c=1.7)。然而，至今尚無(wú)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明有質(zhì)量粒子(如電子、質(zhì)子、中子、原子)可以作超光速運(yùn)動(dòng)。

反對(duì)超光速可能性的人士常說(shuō)，現(xiàn)有的加速器從來(lái)都是把電子或質(zhì)子加速到非常接近c(diǎn)的值，例如0.99999c之類，根本沒(méi)有加速到c以上的事情。但這樣說(shuō)只是一種邏輯循環(huán)互證——用“相對(duì)論正確”解釋“電子(或質(zhì)子)不可能被加速到光速以上”，又用“電子(或質(zhì)子)只作亞光速運(yùn)動(dòng)”來(lái)證明“相對(duì)論正確”。問(wèn)題在于，由于缺少對(duì)中性粒子(如中子)的加速技術(shù)，總是用本征速度為c的電磁場(chǎng)作為加速帶電粒子(電子或質(zhì)子)的手段；而用亞光速的加速器自然不能獲得超過(guò)c的速度。作為超光速研究者，我們也不認(rèn)為需要不斷加大能量來(lái)獲得超光速的粒子運(yùn)動(dòng)，前已指出，航空工程中超聲速飛機(jī)設(shè)計(jì)中的Laval噴管，使氣流連續(xù)地從亞聲速加速到超聲速的方法——壓力越低、密度越小，能量越少，速度反而不斷增大。受此啟發(fā)筆者提出了嘗試用截止波導(dǎo)中的消失場(chǎng)構(gòu)建超光速電子運(yùn)動(dòng)電磁環(huán)境的建議[41]，又提出把廣泛實(shí)現(xiàn)了的“群速超光速”為研究起點(diǎn)，希望在改裝后的加速器上由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可能的超光速奇異粒子(meta electron或meta proton)。而且這在理論上可與粒子的量子隧穿(quantum tunneling)聯(lián)系起來(lái)思考，那里的消失態(tài)幾率波正切合我們的需要?！捎诠P者不是加速器專家，因此邀請(qǐng)中國(guó)科技大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室裴元吉教授參加于2011年11月7日在《科技日?qǐng)?bào)》社召開(kāi)的會(huì)議，他在題為“超光速實(shí)驗(yàn)方案探討”的報(bào)告中說(shuō)，到目前為止，帶電粒子動(dòng)力學(xué)都是建立在“光速為極限”的基礎(chǔ)上，即遵循相對(duì)論力學(xué)。盡管目前建造的加速器尚未發(fā)現(xiàn)與此有矛盾，但所有測(cè)試粒子運(yùn)動(dòng)參數(shù)方法的理論基礎(chǔ)也是相對(duì)論，即便有矛盾也很難發(fā)現(xiàn)。建議設(shè)計(jì)相速1.05c的加速管(長(zhǎng)1.2m)；產(chǎn)生束團(tuán)長(zhǎng)度ps級(jí)的電子束；然后調(diào)節(jié)移相器測(cè)量不同相位時(shí)的束流能量。通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)尋找終點(diǎn)和原因，看看能否突破相對(duì)論的束縛?！覀兏吲d地看到，已有加速器專家抱持一種開(kāi)放的態(tài)度，這就帶來(lái)了希望。

行文至此，必須承認(rèn)還沒(méi)有真正可行的方法實(shí)施v/c>1的旅行，因此筆者才慎重地說(shuō)：“超光速宇宙航行非常困難，但并非毫無(wú)希望”?，F(xiàn)在要做的是以實(shí)驗(yàn)證明有質(zhì)量的微觀粒子(物質(zhì)粒子)以超光速飛行是可能的，所以筆者多次提出應(yīng)當(dāng)對(duì)電子、質(zhì)子(甚至中子、原子)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于對(duì)中性(不帶電)粒子加速有困難，可以嘗試改裝現(xiàn)有的對(duì)帶電粒子(電子、質(zhì)子)的加速器，為實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)辟一個(gè)新天地。

9 究竟是什么以299792458 m/s的速度行進(jìn)

最后我們討論光速本身的問(wèn)題。1670年，丹麥天文學(xué)家Olaus Roemer提出了歷史上第一個(gè)光速c觀測(cè)數(shù)據(jù)：c=214000 km/s；它比真實(shí)值低了大約30%。Roemer的功績(jī)是用實(shí)驗(yàn)證明光速為有限值而非無(wú)限大。在這以后一直到20世紀(jì)80年代，人類測(cè)量光速的工作持續(xù)了約300年。表1是我們搜集的1676—1958年間光速測(cè)量的3個(gè)類型、18個(gè)典型測(cè)量值。表中的系統(tǒng)誤差是與標(biāo)準(zhǔn)值(c=299792458 m/s)作比較時(shí)算出的，而這個(gè)值是在20世紀(jì)70年代用高精度激光方法測(cè)得的。由表1可見(jiàn)，光學(xué)測(cè)量的最好數(shù)據(jù)是1948年用光學(xué)測(cè)距儀測(cè)得的結(jié)果(系統(tǒng)誤差為1.8×10-6)；電學(xué)測(cè)量的最好數(shù)據(jù)是1923年用LC回路及平行雙線對(duì)電磁波(導(dǎo)波)測(cè)得的結(jié)果(系統(tǒng)誤差為8×10-6)；微波測(cè)量的最好數(shù)據(jù)是1950年用圓柱諧振腔對(duì)電磁波(駐波)測(cè)得的結(jié)果(系統(tǒng)誤差為1.4×10-7)。

表1 1676—1958年的光速測(cè)量值

1972年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)K.M.Evenson等[42]以高度復(fù)雜的技術(shù)對(duì)甲烷(CH4)穩(wěn)定激光完成了測(cè)頻，實(shí)現(xiàn)了光頻測(cè)量。實(shí)驗(yàn)采用了銫原子頻標(biāo)出發(fā)的激光頻率鏈，其中包括6臺(tái)不同的激光器和5個(gè)微波速調(diào)管。結(jié)果得到

fCH4=88.376181627×1012Hz

測(cè)量精度達(dá)6×10-10；故可算出真空中光速

c=λCH4fCH4=(299792456±1.1) m/s

(11)

即精度達(dá)3.6×10-9；這樣，真空中光速c的測(cè)量精度提高了100倍。1973年6月，國(guó)際計(jì)量局米定義咨詢委員會(huì)決定，取激光波長(zhǎng)λ=3.39223140μm，激光頻率同前，算出

c=299792458 m/s

(12)

作為公認(rèn)的光速值。同年8月，國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)決定采用。1975年，第15屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)認(rèn)可了這個(gè)值。當(dāng)時(shí)人們就認(rèn)為，精測(cè)真空中光速c成功有新的科學(xué)意義。正如大家所知，基本的計(jì)量單位有7個(gè)，即米、千克(公斤)、秒、安[培]、開(kāi)[爾文]、摩[爾]、坎[德拉]。在這些基本單位中，精度最高的是時(shí)間(頻率)，其次是長(zhǎng)度。米定義方法早期用原器，1960年才開(kāi)始按原子的輻射躍遷來(lái)定義，即“Kr-86原子的2p10和5d5能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射在真空中波長(zhǎng)的1650763.73倍”。相應(yīng)的長(zhǎng)度基準(zhǔn)稱為Kr-86基準(zhǔn)。至于時(shí)間(或頻率)，1967年國(guó)際上規(guī)定的秒定義為，“Cs-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)輻射的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間?！北M管按原子狀態(tài)來(lái)定義比起過(guò)去優(yōu)越，但存在的問(wèn)題也很明顯：對(duì)同一輻射(同一躍遷)，波長(zhǎng)是一種單位，頻率又是一種單位，二者互相獨(dú)立，建立計(jì)量基準(zhǔn)的方法也不同。能否統(tǒng)一起來(lái)，從而減少一個(gè)基本單位？由于精測(cè)真空中光速c達(dá)到了高水平，出現(xiàn)了用下式定義長(zhǎng)度的可能：

(13)

式中c是恒量，頻率f是基本單位，波長(zhǎng)λ成為導(dǎo)出單位。這樣，長(zhǎng)度不再是基本單位，而是導(dǎo)出單位。1983年，國(guó)際上規(guī)定了新的米定義：1m是平面電磁波在真空中在(299792458)-1s內(nèi)走過(guò)的距離。此后亦不再搞光速測(cè)量。

從1983年到2013年又過(guò)去了30年。這個(gè)時(shí)期波科學(xué)及物理光學(xué)有巨大發(fā)展，超光速研究(含負(fù)波速研究)也在各國(guó)廣泛展開(kāi)?，F(xiàn)在看過(guò)去的作法會(huì)產(chǎn)生下述問(wèn)題：“究竟是什么東西以299792458 m/s的速度行進(jìn)？”造成問(wèn)題的原因之一是對(duì)“真空中光速c”缺乏明確定義。”如說(shuō)“光子在真空中的飛行速度就是真空中光速”，但迄今無(wú)人做過(guò)直接測(cè)量光子速度的實(shí)驗(yàn)。因此，只能說(shuō)“真空中光速是指光波在真空中傳播的速度”，這樣定義確有精密實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。然而NBS實(shí)驗(yàn)是在特定條件(在一定頻率上針對(duì)甲烷CH4)做的，如果條件改變(頻率改變或測(cè)量物質(zhì)改變)會(huì)怎樣？我們并不知道。亦即存在一個(gè)c值恒定性、穩(wěn)定性的驗(yàn)證問(wèn)題。在這個(gè)問(wèn)題解決前即宣稱“c值不再具有不確定度，可以固定下來(lái)”，是不妥的，也沒(méi)有給研究和發(fā)展留下空間。另外，c值的精確性依賴于f、λ二者的精確性；然而λ與f不同，它是一個(gè)復(fù)雜的物理量，只有平面波才有真正確定的值。然而理想的平面波并不存在[18，19]。

(14)

式中v是當(dāng)?shù)氐淖赞D(zhuǎn)線速度，L是兩地間距。實(shí)驗(yàn)如成功將是劃時(shí)代的；因?yàn)橛脙蓚€(gè)地面站和衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)會(huì)被人說(shuō)是“地球自轉(zhuǎn)的Sagnac效應(yīng)”造成的，而Sagnac效應(yīng)是爭(zhēng)論性大的課題。

總之，科學(xué)家們?nèi)栽谘芯抗馑俨蛔冃詥?wèn)題。西安方面正準(zhǔn)備用氫鐘和光纖做實(shí)驗(yàn)，對(duì)氫鐘信號(hào)作相位比對(duì)，數(shù)據(jù)處理后可得到光速傳播的相對(duì)速度變化率。正如中國(guó)計(jì)量科學(xué)院沈乃澂研究員在《光頻標(biāo)》一書(shū)中所說(shuō)[48]，目前復(fù)現(xiàn)米定義的準(zhǔn)確度為10-11～10-14量級(jí)，科學(xué)家們致力于在更高精度下檢驗(yàn)光速c是否恒定，這類實(shí)驗(yàn)是十分重要的。

2013年3月25日美國(guó)“每日科學(xué)”網(wǎng)站報(bào)導(dǎo)說(shuō)，法國(guó)科學(xué)家、德國(guó)科學(xué)家各自提出了研究成果將發(fā)表在歐洲物理學(xué)雜志上，內(nèi)容是說(shuō)光速是真實(shí)的特性常數(shù)，而量子理論認(rèn)為真空并非空無(wú)一物，而是忽隱忽現(xiàn)的粒子。這導(dǎo)致光速c不是固定不變，而是有起伏的值！

經(jīng)典力學(xué)中速度不可能是沒(méi)有方向的標(biāo)量，而是有明確指向的矢量。1983年國(guó)際計(jì)量組織所定義的c，與空間、時(shí)間或者光子的運(yùn)動(dòng)都沒(méi)有關(guān)系。……另一方面，由于光是波又是光子，我們似乎可以不加證明地推斷光子速度就是299792458 m/s。然而自然科學(xué)不能要求人們接受缺乏實(shí)驗(yàn)證明的事情。由于光子有其運(yùn)動(dòng)路徑(軌跡)，說(shuō)“光子的速度是標(biāo)量”恐怕不行。于是又陷入了概念上的混亂。況且光是大量光子的綜合表現(xiàn)，人們不知道光子之間是否毫無(wú)速度上的差別，大家都精確地按照299792458 m/s飛行？這些問(wèn)題都是不清楚的。

2011年6月17日美國(guó)《Phys.Rev.Lett》發(fā)表了香港科技大學(xué)學(xué)者們的單光子研究論文[52]；實(shí)驗(yàn)中使用的(2D)85Rb磁光阱(MOT)工作在超低溫10-4K，泵頻wp對(duì)應(yīng)780nm波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論是對(duì)單光子而言因果性(causality)仍正確，單光子的最大速度是c。論文是生動(dòng)而富含啟發(fā)性的。但說(shuō)它“為單一光子攜帶信息的最大速度之爭(zhēng)畫上句號(hào)”則欠妥。更何況，在量子理論中對(duì)因果性本來(lái)就不能簡(jiǎn)單化地理解。

10 結(jié)束語(yǔ)

在中國(guó)北京召開(kāi)的242次香山科學(xué)會(huì)議已過(guò)去10年，在會(huì)議上和會(huì)后都取得了多方面的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展，吸引了越來(lái)越多的人參與工作。盡管當(dāng)前全世界的超光速研究還處在非常初步的階段，但已可以斷言所謂“光障”擋不住人類前進(jìn)的腳步。無(wú)可爭(zhēng)辯的事實(shí)是，相關(guān)的研究在10年中已取得了許多成果。正如R.Feynman[53]所說(shuō)，“科學(xué)的用處在于不斷進(jìn)步的過(guò)程中嘗試提出新的猜想，而我們要做的事是不顧一切往前進(jìn)行?！毕嘈判聦W(xué)科“超光速物理”有美好的未來(lái)！

[1]Einstein A.Zur elektrodynamik bewegter Korper[J].Ann.d Phys.1905，17(7)：891-895.中譯：論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)[A].范岱年，趙中立，許良英譯.愛(ài)因斯坦文集[C].北京：商務(wù)印書(shū)館，1983.83-115.

[2]黃志洵.超光速研究的40年——回顧與展望[J].中國(guó)工程科學(xué)，2004年，6(10)：6-23.又見(jiàn)：Huang Zhixun.Forty years research of faster-than-light：review and prospects[J].Eng Sci，2005，3(1)：16-22.

[3]宋健.航天、宇航和光障[A].第242次香山科學(xué)會(huì)議論文集[C].北京：前沿科學(xué)研究所，2004.又見(jiàn)：宋健.航天、宇航和光障[N].科技日?qǐng)?bào)，2005-07-05.

[4]林金.導(dǎo)航中時(shí)間的定義、測(cè)量機(jī)制和超光速運(yùn)動(dòng)[A].第242次香山科學(xué)會(huì)議論文集[C].北京：前沿科學(xué)研究所，2004.又見(jiàn)：林金.航天導(dǎo)航測(cè)量機(jī)制的啟示和時(shí)空理論[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，14(4)：1-3.

[5]林金.衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航與時(shí)間空間理論[A].現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展論壇2010年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].北京，2010.

[6]耿天明.對(duì)超距作用的再思考[A].第242次香山科學(xué)會(huì)議論文集[C].北京：前沿科學(xué)研究所，2004.

[7]楊新鐵.突破光障[A].第242次香山科學(xué)會(huì)議論文集[C].北京：前沿科學(xué)研究所，2004.又見(jiàn)：楊新鐵.關(guān)于超光速粒子的加速器測(cè)量[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，14(4)：63-69.

[8]曹盛林.物理學(xué)與Finsler時(shí)空[A].第242次香山科學(xué)會(huì)議論文集[C].北京：前沿科學(xué)研究所，2004.

[9]陳徐宗等.利用非相干pump法減慢光速及控制負(fù)群速[A].第242次香山科學(xué)會(huì)議論文集[C].北京：前沿科學(xué)研究所，2004.

[10]逯貴禎，黃志洵.光子同軸晶體中的電磁波群速研究[A].第242次香山科學(xué)會(huì)議論文集[C].北京：前沿科學(xué)研究所，2004.

[11]沈京玲.太赫茲技術(shù)與太赫波段電磁波的超光速實(shí)驗(yàn)[A].第242次香山科學(xué)會(huì)議論文集[C].北京：前沿科學(xué)研究所，2004.

[12]董晉曦.光速可變理論及其相關(guān)問(wèn)題[A].第242次香山科學(xué)會(huì)議論文集[C].北京：前沿科學(xué)研究所，2004.

[13]黃志洵.波動(dòng)力學(xué)的發(fā)展[J].中國(guó)傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，15(4)：1-16.

[14]黃志洵.截止波導(dǎo)理論導(dǎo)論(第二版)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1991.

[15]錢翼稷.空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[16]Murad P A.Hyper-light dynamics and the effects of relativity，gravity，electricity and magnetism[J].Paper of Inter Astron，F(xiàn)eder，No.99-S.6.02，1999：1-13.

[17]Zhang L，et.al.Superluminal propagation at negative group velocity in optical fibers based on Brillouin lasing oscillation[J].Phys Rev Lett，2011，107：093903 1-5.

[18]宋文淼.正確認(rèn)識(shí)時(shí)空相對(duì)論，開(kāi)創(chuàng)物理世界新時(shí)代[A].第242次香山科學(xué)會(huì)議論文集[C].北京：前沿科學(xué)研究所，2004.

[19]宋文淼等.實(shí)物與暗物的數(shù)理邏輯[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[20]宋健.航天縱橫——航天對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的拉動(dòng)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[21]譚暑生.從狹義相對(duì)論到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)空論[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[22]黃志洵.超光速研究及電子學(xué)探索[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[23]季灝.量熱學(xué)法測(cè)量電子能量實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)科技成果，2009，(1)：34-35.

[24]Ren H，et.al.Nonlinear Chrenkov radiation in an anomalous dispersion medium[J].Phys Rev Lett，2012，108(1 Jun.)：223901 1-5.

[25]Alcubierre M.The warp drive：hyper-fast travel within general relativity[J].Class and Quant Grav，1994，11(5)：L73-L77.

[26]Aguanno G D，et al.Group velocity，energy velocity，and superluminal propagation in finite photonic band-gap structure[J].Phys Rev E，2011，036610 1-5.

[27]Sommerfeld A.Uber die fortpflanzung des lichtes in dispergierenden medien[J].Annd Phys.1914，44(1)：177-182.又見(jiàn)：Brillouin L.Uber die fortpflanzung des lichtes in dispergierenden medien[J].Ann d Phys 1914，44(1)：203-208.also：Brillouin L.Wave propagation and group velocity[M].New York：Academic Press，1960.

[28]Einstein A.The relativity principle and it’s conclusion[J].Jahr.der Radioaktivit?t und Elektronik，1907，4：411-462.中譯：關(guān)于相對(duì)性原理和由此得出的結(jié)論[A].范岱年，趙中立，許良英譯.愛(ài)因斯坦文集[M].北京：商務(wù)印書(shū)館，1983，150-209.

[29]黃志洵.無(wú)源媒質(zhì)中電磁波的異常傳播[J].中國(guó)傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，20(1)：4-20.

[30]Wynne K，Jaroszynski D A.Superluminal terahertz pulses[J].Opt Lett，1999，24(1)：25-27；又見(jiàn)：Wynne K，et al.Tunneling of single cycle terahertz pulses through waveguides[J].Opt Commun.，2000，176：429-435.

[31]Huang Z X(黃志洵)，Lu G Z(逯貴禎)，Guan J(關(guān)健).Superlurninal and negative group velocity in the electromagnetic wave propagation[J].Eng.Sci.，2003，1(2)：35-39；又見(jiàn)：Lu G Z(逯貴禎)，Huang Z X(黃志洵)，Guan J (關(guān)健).Study on the superluminal group velocity in a coaxial photonic crystal[J].Eng.Sci.，2004，2(2)：67-69.

[32]周渭，李智奇.電領(lǐng)域群速超光速的特性實(shí)驗(yàn)[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，17(3)：48-53.

[33]Yao H Y，Chang T H.Experimental and theoretical studies of a broadband superluminality in Fabry-Perot interferometer[J].Prog.EM Res.，2012，122：1-13.

[34]Carot A，et al.Giant negative group time delay by microwave adaptors[J].Euro Phys Lett，2012，98(June)：64002 1-4.

[35]Monti G，Tarricone L.Negative group velocity in a split ring resonator-coupled microstrip line[J].Prog EM Res，2009，94：33-47.

[36]Brumfiel G.Particles break light-speed limit[J].Nature，doi：10.1038 news，2011，554.

[37]Adam T，et al.Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam[EB/OL].http：//static.arXiv.Org/pdf/1109.4897.pdf.

[38]Salart D，et al.Testing the speed of “spooky action at a distance”[J].Nature，2008，454(Aug.14)：861-864.

[39]Bilanuik O M，Deshpande V K，Sudarshan E C.Meta relalivity[J].Am J Phys 1962，30：718-722.

[40]Steinberg A M，et al.Measurement of the single photon tuuneling time[J].Phys Rev Lett 1993，71(5)：708-711.

[41]黃志洵.超光速實(shí)驗(yàn)的一個(gè)新方案[J].前沿科學(xué)，2010，4(3)：41-62.

[42]Evenson K M，et al.Accurate frequency of molecular transitions used in laser stabilization：the 3.39μm transition in CH4and the 9.33 and 10.18μm transition in CO2[J].Appl Phys Lett，1973，22：192-198.

[43]Einstein A.愛(ài)因斯坦晚年文集[M].方在慶等譯，?？冢汉Ｄ铣霭嫔?，2000.

[44]張?jiān)?狹義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，1979(初版)，1994(重印).

[45]Sagnac G.L’éther lumineux démontré par l’effectdu vent relatif d’ether dans un interférometré en rotation uniforme[J].C R Acad Sci.1913，157：708-710.

[46]Wang R，et al.Generalised Sagnac Effect[J].Phys Rev Lett，2004，93(14)：143901 1-3.

[47]林金.愛(ài)因斯坦光速不變假設(shè)的判決性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)[J].宇航學(xué)報(bào)，2009，30(1)：25-32.

[48]沈乃澂.光頻標(biāo)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[49]Einstein A.50年思考還不能回答光量子是什么[A].范岱年，趙中立，許良英編譯.愛(ài)因斯坦文集(第2卷)[M].北京：商務(wù)印書(shū)館，1977.485-486.

[50]黃志洵.論單光子研究[J].中國(guó)傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，16(2)：1-11.

[51]黃志洵.光是什么[J].中國(guó)傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，14(4)：1-9.

[52]Zhang S，Cheng J F，et al.Optical precursor of a single photon[J].Phys Rev lett，2011，106(Jun.)：243602 1-4.

[53]Feynman R.The character of physical law[M].New York：Mel Jack Agency，1965.

“LightBarrier”can’tResisttheHumanAdvancements——In memory of 242nd Xangshen Science Conference

HUANG Zhi-xun

(Communication University of China，Beijing 100024，China)

The subject of 242nd Xangshan Science Conference was “Frontier Issues on Astronautics and Light Barrier”.We know in 1905，A.Einstein brought forward the confidence that “velocities greater than that of light have no possibility of existence”.It is so-called “l(fā)ight barrier”.But in this conference Song Jian says，this idea only may be hypothesized or guessed about the movement without any information about it and nothing could be seen.Now，a flight within the solar system is called space-flight and beyond the solar system is astronautic.In this century the first astronauts will travel beyond the solar system and come back safely.To fly out of the solar system has long been the ambition of mankind.But many paramount theoretical and technical problems have to be solved before that.As a consequence，the speed of travel to be increased to the magnitude of the speed of light or，if possible，faster than the speed of light.

In this paper，we try to remember the achievements in 242nd Xangshan Science Conference before 10 years，and we discuss the research works of faster-than-light subject in decade of 2003～2013.First，we compare the present “l(fā)ight barrier” problem with the past “sonic barrier” problem，the results of the compressible fluid mechanics can be used to the faster-than-light research，the developments of the aerodynamics will give good references for break through the light barrier.Second，we discuss the velocity of information，and in past decade the negative group velocity(NGV) was founded by experiments of several scientists，moreover it is accepted that the NGV is faster than the light speedc.The group velocity faster-than-light experiments was great success，from the viewpoint of wave-particle duality，we must try to discover the meta-electrons moved superluminality.We will consider to check the accelerator，and the particle loses energy to accelerates after through the potential barrier.It is similar to the break through sound barrier，such as the Laval tube.…… We also discuss the Alcubierre’s warp drive engine，the way was modified the spacetime that allows a spaceship to travel with speed of faster-than-light.Although it is a hypothesis only，but in Sep.19/2012 the 《Time》 weekly magazine says：“NASA actually working on faster-than-light warp drive”.And it is highly important for us to a correct conclusion：the faster-than-light astronautic flight be approved by the NASA.

According to the developments of faster-than-light research in past decade，there are indications that the newly subject of “Superluminal Light Physics” is an established fact.Furthermore，we discuss the definition of the light velocity in vacuumc，including the problem of light-speed constancy.

Xangshen Science Conference；light barrier；faster-than-light astronautic flight；Superluminal Light Physics；warp drive engine

2013-03-17

黃志洵(1936- )，男(漢族)，北京市人，中國(guó)傳媒大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所客座研究員。

O412

A

1673-4793(2013)03-0001-16

王謙)