黃志洵，姜榮

(1.中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024；2.浙江傳媒學(xué)院，杭州310018)

對(duì)“速度”的研究和討論

黃志洵1，姜榮2

(1.中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024；2.浙江傳媒學(xué)院，杭州310018)

宏觀物質(zhì)速度；微觀物質(zhì)速度；波速度；引力傳播速度；Coulomb場(chǎng)傳播速度；量子糾纏態(tài)傳播速度；超光速；負(fù)波速

1 引言

在計(jì)量學(xué)的國(guó)際單位制中，有所謂“SI基本單位”和“SI導(dǎo)出單位”的區(qū)分。長(zhǎng)度、時(shí)間這兩個(gè)物理量均為SI基本單位，單位名稱是米、秒，符號(hào)為m、s。速度、加速度這兩個(gè)物理量均為SI導(dǎo)出單位，單位名稱是米每秒、米每二次方秒，符號(hào)是m/s、m/s2[1]。由此可以清楚地看出，速度是聯(lián)系了空間和時(shí)間的物理量，雖非基本量卻非常重要。經(jīng)典力學(xué)(CM)的締造者I.Newton曾在他的主要著作中提出動(dòng)量(momentum)這一概念[2]，今天人們習(xí)慣于寫成p=mv(m為動(dòng)體質(zhì)量、v為動(dòng)體速度)，這也彰顯了速度這個(gè)物理量的重要性。

速度聯(lián)系了兩個(gè)基本物理量(空間、時(shí)間)，這就使它獲得了人類的極大關(guān)切。可以毫不夸張地說，一部科學(xué)技術(shù)發(fā)展史就是人類不斷改進(jìn)和提高速度的歷史。更高速度代表以較少的時(shí)間代價(jià)克服更大的距離，因此無(wú)論在人類日常生活中或是科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域都是被追求的目標(biāo)。從汽車、火車、飛機(jī)的發(fā)展，到火箭技術(shù)乃至宇宙飛船，速度都是設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)。在高能物理學(xué)研究領(lǐng)域，粒子加速器技術(shù)成為一個(gè)非常重要的方面[3]，對(duì)于探索微觀世界有決定性的影響。……雖然提高速度的努力一直主要在宏觀世界中進(jìn)行，人們甚至認(rèn)為速度作為宏觀物理參數(shù)甚至無(wú)法在微觀世界中恰當(dāng)?shù)囟x；但在實(shí)踐中，對(duì)微觀粒子狀況的描述仍然離不開對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度的說明。這是矛盾的，但作為一種半經(jīng)典的表述方式仍然被允許和應(yīng)用；而且人們都清楚，這樣做并不表示科學(xué)工作者對(duì)W.Heisenberg、E.Schr?dinger、M.Born等量子力學(xué)大師的理論的任何背棄。

2 宏觀世界中對(duì)高速度的追求

進(jìn)入21世紀(jì)后，世界處在大航天時(shí)代，而地球是一切航天活動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)。地球引力成為基本的障礙。圍繞地球作圓運(yùn)動(dòng)所需的飛船發(fā)射初速為v1=7.9km/s，v

《參考消息》報(bào)曾于2016年10月刊登一篇文章“科學(xué)家試圖探索最近類地行星”，其中說歐洲南方天文臺(tái)(ESO)發(fā)現(xiàn)了距離太陽(yáng)系最近的宜居行星。這顆行星圍繞比鄰星運(yùn)行，與地球僅相距4.25光年。比鄰星是顆矮星，從地球上無(wú)法用肉眼觀測(cè)到，但它是距離太陽(yáng)系最近的矮星。對(duì)新發(fā)現(xiàn)行星引力的初步測(cè)量顯示，比鄰星的質(zhì)量與地球相近，而且其軌道可能處于宜居帶內(nèi)。這一發(fā)現(xiàn)是一個(gè)巨大的飛躍，因?yàn)榇饲芭c地球最相似的星球是距離地球1400光年的Kepler-452b行星?，F(xiàn)在天文學(xué)家考慮的問題是，是否能到達(dá)這顆新發(fā)現(xiàn)的行星，并對(duì)那里有沒有生命甚至智慧文明展開研究。

這個(gè)項(xiàng)目是俄羅斯富豪資助的前往半人馬座α星的任務(wù)，距地球約為4×1013km(40萬(wàn)億千米)。假如自地球出發(fā)的飛船用百分之一光速飛往該星，即速度3000km/s，則430年才能抵達(dá)，往返一次歷時(shí)860年。2004年美國(guó)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)在大氣層的10倍音速飛行，即v?3.2km/s；假使以這個(gè)速度飛往半人馬座α，往返一次竟需85萬(wàn)年。2006年1月，美國(guó)NASA的“星塵號(hào)”無(wú)人飛船返回地球時(shí)速度達(dá)13km/s，但前往半人馬座并返回也要大約20萬(wàn)年! 因此，許多人表示懷疑，盡管該項(xiàng)目有S.Hawking參加。目前的計(jì)劃是，開發(fā)一種使航天器在20年內(nèi)就能到達(dá)這一恒星系的技術(shù)。抵達(dá)后，一臺(tái)探測(cè)器將飛經(jīng)該星系各行星，搜尋先進(jìn)外星文明的痕跡。

在紐約舉行的項(xiàng)目啟動(dòng)儀式上，Hawking激動(dòng)地說，“使人類獨(dú)一無(wú)二的是突破我們面臨的限制。萬(wàn)有引力使我們困于地面，但我飛到了美國(guó)。我失去了嗓音，但我仍能說話。我們是如何突破這些限制的?是用我們的大腦和機(jī)器。如今，我們面臨的限制是，我們與恒星間的茫茫太空。但現(xiàn)在，我們能夠突破這一限制，借助光束、光帆和迄今所造出的最輕航天器，我們能夠在—代人時(shí)間內(nèi)實(shí)施半人馬座α任務(wù)。”實(shí)際上，這—任務(wù)依賴于制造迄今最輕的航天器——一個(gè)極其微小、重量不到1克配備一張小帆的“納米航天器”。一個(gè)建在地球上的大型激光束陣將向太空發(fā)射，匯集成一個(gè)100GW的光束，并將上述小型航天器送往半人馬座α恒星系，其時(shí)速可加快至1.6億千米。……換算一下，速度v=4.4×104km/s；我們知道光速c約為3×105km/s，故v?0.15c。這與NASA官員的說法有矛盾，后者說需要的速度v=102km/s。不管怎樣，由于航天器實(shí)際上是一個(gè)高級(jí)的微小芯片(作為人類的代表并搜集信息)，又是用地球上發(fā)射的激光束作持續(xù)的動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)空前快速的超高速飛行的可能性是存在的。

但筆者認(rèn)為，盡管目標(biāo)宏偉，而且說干就干(已注入啟動(dòng)資金1億美元，集合了一批科學(xué)家和工程師)，然而最大問題仍然是作為航天器動(dòng)力需求的能源供給，是否能保證航天器一直能向著目標(biāo)作持續(xù)飛行。依靠地面站發(fā)射的激光束只能在一定時(shí)期有效，過了此期間就等于沒有一樣，因?yàn)橐w行的距離實(shí)在是太遠(yuǎn)了?！?/p>

現(xiàn)在我們不如先考慮某些距離較近的航天任務(wù)，暫時(shí)不要為“去4.3光年遠(yuǎn)處的行星”焦急。傳統(tǒng)上認(rèn)為，從地球到火星的飛行需要好幾個(gè)月；這實(shí)在是太慢了。因此2015年2月有報(bào)道說，NASA已開始研究如何用3天抵達(dá)火星。這是用“電磁加速”的設(shè)想，而能量的持續(xù)供給由激光推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)。NASA官員說，寄希望于此的系統(tǒng)將改變從地球到火星需飛行6個(gè)月的現(xiàn)實(shí)——將來可用1個(gè)月使載人飛船抵達(dá)火星；對(duì)于不載人飛船，若總重量100kg，則只需3天。地球與火星距離5.6×107km～6×108km，為方便計(jì)算取作108km；而3天是259200s，故可算出v?386km/s；這是非常難實(shí)現(xiàn)的高速。1個(gè)月如以30天計(jì)，則為2592000s；這時(shí)飛船速度為v?38.6km/s，這仍是當(dāng)前技術(shù)水平做不到的。

2011年11月26日NASA發(fā)射了新一代火星探測(cè)器“好奇”號(hào)。有報(bào)道說，它要經(jīng)過8個(gè)月、長(zhǎng)達(dá)3.54億英里的行程才能抵達(dá)火星。這個(gè)距離為5.7×108km，而8個(gè)月相當(dāng)于2.07×107s，故平均速度v?27.5km/s。這是不太重的無(wú)人航天器所能達(dá)到的速度。2016年3月14日，歐俄火星探測(cè)器升空，目的是尋找生命痕跡；該無(wú)人航天器稱為ExoMars，預(yù)計(jì)飛行4.69億千米、歷時(shí)7個(gè)月以后抵達(dá)火星。這個(gè)平均速度可以算出為v?27.4km/s。這便是目前能實(shí)現(xiàn)的水平，而人們的希望是加快10倍。

進(jìn)入本世紀(jì)后，發(fā)射的航天器的速度一般都不低，但還達(dá)不到飛往火星的無(wú)人探測(cè)器的水平。例如2004年NASA和歐洲航天局(ESA)聯(lián)合制造的飛船進(jìn)入環(huán)土星軌道時(shí)，平均速度達(dá)16.5km/s；2014年NASA的無(wú)人探測(cè)器登陸彗星時(shí)達(dá)到的速度為18km/s；這些都比不上飛往火星的探測(cè)器的高速?！劣诜侨嗽煳矬w(宇宙中的天體)，在太空中以幾百km/s飛行的情況是存在的，這已是上限了。

3 微觀粒子的速度概念

速度(velocity)基本上是一個(gè)宏觀概念。宇宙中的物質(zhì)可分為3類；宏觀物體、微觀粒子、場(chǎng)與波動(dòng)。對(duì)于宏觀物體，經(jīng)典力學(xué)中的速度概念為

(1)

(1a)

(2)

這些構(gòu)成Newton力學(xué)(即經(jīng)典力學(xué)CM)的理論基礎(chǔ)。

(3)

(4)

(4a)

(5)

但上式的意義還不太清楚。

迄今為止，在研究工作涉及微觀粒子時(shí)，速度概念常被使用。例如，1904年H.A.Lorentz提出電子的質(zhì)量速度方程[5]：

m=m0/(1-v2/c2)1/2

(6)

這里v是電子的速度，而電子是微觀粒子。這個(gè)方程被沿用至今，雖有爭(zhēng)論，只是有關(guān)“質(zhì)量是否真的隨速度變”，并沒有人提出作為微觀粒子之一的電子“不宜用速度概念”的問題。實(shí)際上，在許多場(chǎng)合(如電子管技術(shù)、加速器技術(shù)等)人們都使用“電子的速度”，未因電子是微觀粒子而回避談它的速度。另外，也可以計(jì)算電子繞原子核飛行的速度；由于已知電子在氫原子中繞質(zhì)子旋轉(zhuǎn)1次需時(shí)150as，即1.5×10-16s；而核外只有1個(gè)電子處在1s軌道上，如果取氫原子半徑r=0.1nm，就可算出電子飛行速度約為4200m/s。這是電子飛行速度的定量化。從原理上說，Bohr的氫原子行星模型有其正確成分，故科學(xué)書籍中按軌道而討論原子結(jié)構(gòu)者并不少見。

Bohr模型沿用經(jīng)典速度的定義，所以粒子是有速度的，甚至量子化學(xué)也沿用他的做法。這種軌道理論是經(jīng)典概念加量子化條件而成，并非徹底的量子理論。談?wù)摎湓又?s態(tài)電子繞核(質(zhì)子)旋轉(zhuǎn)的速度、周期等，是用Bohr理論推測(cè)，尚無(wú)實(shí)驗(yàn)肯定這類推測(cè)和估算。

再看光子；光速既可以是光波的速度，但也是光子的速度，其值為c=299792458m/s。光子是一種特殊的微觀粒子，而它是有速度的。另外，1993年美國(guó)A.Steinberg等完成的“光子賽跑實(shí)驗(yàn)”[6]，在兩路比較中證明光子穿過勢(shì)壘時(shí)速度比c快了70%。該實(shí)驗(yàn)精巧完美，數(shù)據(jù)處理上不回避“光子被加速到1.7c”。這也是用速度概念處理微觀粒了的例子。總之，當(dāng)采用半經(jīng)典方式研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度概念仍在使用。不過，這并不表示理論上不存在需要討論的問題。對(duì)于光子的速度，一方面迄今無(wú)人直接測(cè)量過單光子的飛行速度。另外，在一束光子包含有許多光子，但它們當(dāng)中是否個(gè)個(gè)速度相同，亦不知道。光子速度如何定義并非不用考慮。

總之，微觀粒子的速度尚待作進(jìn)一步研究，關(guān)鍵之點(diǎn)是對(duì)“速度”概念的定義和理解，不能泛論它的有無(wú)。針對(duì)早期的超光速實(shí)驗(yàn)，例如在光頻進(jìn)行的SKC實(shí)驗(yàn)，以及在微波使用截止波導(dǎo)作勢(shì)壘的Nimtz實(shí)驗(yàn)，由QM中對(duì)于粒子時(shí)空分布的幾率函數(shù)所得到“速度”與經(jīng)典物理和相對(duì)論意義上的速度可能不是一個(gè)概念。也許只能把電磁波在勢(shì)壘中的時(shí)空分布理解為一種量子現(xiàn)象下的“態(tài)函數(shù)”，它是否具有經(jīng)典意義上的速度的性質(zhì)仍待研究。至于常見的說法“QM的非局域性即超光速性”，筆者認(rèn)為這個(gè)概念站得住腳，不受上述討論的影響。

另外，要看到QM有其適用范圍。在某些極端條件下，量子效應(yīng)非常小，以至于可以忽略不計(jì)，這時(shí)經(jīng)典概念對(duì)微觀粒子仍有效。例如，電子管技術(shù)和加速器技術(shù)或其他技術(shù)應(yīng)用中，由于粒子(電子等)的動(dòng)能極高，量子效應(yīng)微小，使用經(jīng)典物理處理不會(huì)有重大偏差，談?wù)摿Ｗ铀俣葲]有問題。

ψ=RejS/?

(7)

式中R、S是(x，y，z，t)的實(shí)函數(shù)；利用Schr?dinger方程，導(dǎo)出與經(jīng)典的主方程和連續(xù)性方程形似的二個(gè)方程，并定義粒子速度為

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至于微觀粒子飛行速度的數(shù)據(jù)，可以估計(jì)到，它應(yīng)比宏觀物質(zhì)更易達(dá)到高速。我們搜集到的事實(shí)果然如此——例①，2007年NASA發(fā)射的“黎明號(hào)”探測(cè)器，其離子發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的氙離子速度可達(dá)39.7km/s；例②，2013年NASA觀測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)粒子以高速?zèng)_向地球，v=1448km/s?5×10-3c。無(wú)論如何，微觀粒子的速度概念仍在應(yīng)用，這樣的狀況值得深思。

4 對(duì)波動(dòng)速度的新認(rèn)識(shí)

波動(dòng)(waves)是一種無(wú)固定形狀和確定質(zhì)量的物質(zhì)存在形式，它不能用Newton力學(xué)(CM)而精確地描述。例如，不能在Euclid空間中找到其運(yùn)動(dòng)軌跡，也不能用力(forces)使之加速。在現(xiàn)代電磁場(chǎng)與波的理論中，用算子理論與波函數(shù)空間來對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作描述[7]，這與宏觀物質(zhì)的處理很不一樣。

波速度是矢量還是標(biāo)量？對(duì)此一直存在兩種看法。第一種是從傳統(tǒng)的物理理念出發(fā)的，認(rèn)為“在物理學(xué)中只要是速度就是矢量”；因?yàn)閷?duì)于平面波有

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c=fλ

(10)

并不是定義式，不能由此判定“光速非矢量而是標(biāo)量”，雖然上式未表達(dá)出方向卻不能說明 它沒有方向。至于(-v)或(-c)的本身，不表示“運(yùn)動(dòng)方向反了過來”，因?yàn)橹挥性谑噶勘磉_(dá)中的(±)號(hào)才有方向的含義。因此，人們常認(rèn)為光速是一個(gè)矢量。

另一種觀點(diǎn)則具體地根據(jù)波的相速和群速定義而指出其標(biāo)量性。實(shí)際上，M.Born和E.Wolf的名著《Principlesofoptics》已在§1.3. 3中指出相速不能作為一個(gè)矢量?，F(xiàn)在我們對(duì)這兩個(gè)波速定義作闡述；盡管大量書籍中都給出了電磁波傳播中相速和群速的定義式，目前需要一種系統(tǒng)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋硎?。取?jīng)典波方程的解為：

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其中a(>0)和g是位置的標(biāo)量函數(shù)，而

(12)

叫做等相面或波面。假如下式滿足

(13)

(14)

(15)

相速表示等相面前進(jìn)的速度。對(duì)于平面波來講

(16)

所以

(17)

(18)

如果k是頻率ω的函數(shù)，那么k(ω)就是色散方程：如果k與頻率ω?zé)o關(guān)，就是非色散的。后一條件下k與系統(tǒng)的相位常數(shù)β相同，即k=β，此時(shí)相速可表示為：

(19)

相速不能由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，因?yàn)橐獪y(cè)量這個(gè)速度，需要在在無(wú)限延展、光滑的波上做一個(gè)記號(hào)，然而這就要把無(wú)限長(zhǎng)的諧波波列變換成另一個(gè)空間和時(shí)間的函數(shù)，因此必須承認(rèn)相速意義不如群速重要。并且在實(shí)際中由于單色波是一種理想化的波，展布于t=-∞到t=+∞，實(shí)際上并不存在。在應(yīng)用中我們通常遇到的都是已調(diào)波，如調(diào)幅波(AM)、調(diào)頻波(FM)等。這些被調(diào)制的波可以看成是由許多頻率相近的單色平面波疊加而成，通常稱為波群或波包，我們把用來描述這些頻率相近的波群或波包在空間中傳播的速度稱之為群速。

通常一個(gè)波群或波包可以表示為

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(21)

在平面波條件下寫作

(22)

通常寫作

(23)

從以上的論述中可以看出群速(和相速一樣)不是矢量，而是標(biāo)量。同樣當(dāng)k與頻率ω?zé)o關(guān)時(shí)，是非色散的，波群可以不失真的傳播相當(dāng)長(zhǎng)一段距離；但是如果k是頻率ω的函數(shù)，那么就是色散的。尤其是在反常色散時(shí)，群速可以超過真空中的光速，甚至變?yōu)樨?fù)。

因此在前述兩種意見中，第二種意見是正確的。公式(10)也可作為“光速是標(biāo)量”的說明，實(shí)際上，根據(jù)此式國(guó)際計(jì)量界測(cè)出了真空中光速c的最精確值[11]。筆者稱這些為“對(duì)波速的新認(rèn)識(shí)”，這對(duì)于理解近年來多國(guó)科學(xué)家做成功的負(fù)群速(NGV)實(shí)驗(yàn)是至關(guān)重要的。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電磁波以及其與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)有了更多的理解。研究的興趣不僅僅只停留在對(duì)于光速的精確測(cè)量上，而是向傳統(tǒng)意義上的光速發(fā)起了挑戰(zhàn)。近年來，由于光學(xué)研究拓展到非線性領(lǐng)域，控制電磁波在媒質(zhì)中傳輸?shù)乃俣纫呀?jīng)成為一個(gè)研究的新熱點(diǎn)。通過電磁感應(yīng)吸收、相干布居振蕩和受激Brillouin散射方法在媒質(zhì)中通過控制電磁波的吸收、增益來改變色散，或者通過人造結(jié)構(gòu)如光子晶體、特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等改變媒質(zhì)宏觀的電磁特性控制色散，在小頻率范圍內(nèi)媒質(zhì)的折射率發(fā)生急劇變化，控制光脈沖的群速度實(shí)現(xiàn)了光速的各種變化，產(chǎn)生光停、慢光、快光，并且已取得了不少突破。而且當(dāng)媒質(zhì)的折射率隨著頻率加大而急劇下降時(shí)，也就是發(fā)生強(qiáng)烈的反常色散時(shí)，不僅群速可大于光速c，甚至可以使電磁波的群速為負(fù)。

電磁波通過反常色散媒質(zhì)產(chǎn)生負(fù)群速傳播時(shí)，會(huì)有這樣的現(xiàn)象發(fā)生：當(dāng)輸入脈沖峰值進(jìn)入色散媒質(zhì)之前，就已經(jīng)在色散媒質(zhì)的出口處觀測(cè)到輸出脈沖峰值。而這種負(fù)群速是一種比無(wú)限大群速還大的速度，并且此時(shí)的群時(shí)延也為負(fù)。這個(gè)奇異的現(xiàn)象直觀的看起來不大符合人們通常的經(jīng)驗(yàn)，但是卻是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量得到的。負(fù)群速和負(fù)群時(shí)延的發(fā)現(xiàn)揭示了一類新奇的物理現(xiàn)象，擴(kuò)寬了人們對(duì)群速度和群時(shí)延的認(rèn)識(shí)和理解，推動(dòng)了人類在對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)知和掌握上的進(jìn)步，并且由此帶來技術(shù)上空前的發(fā)展。但是負(fù)速度的理論也是相當(dāng)深?yuàn)W，長(zhǎng)期以來爭(zhēng)論不休。意見的分歧，概念上的模糊，至今仍困擾著研究者。一些物理學(xué)大師甚至都表現(xiàn)出猶豫不決，一般的研究者分歧越來越大。

表1是我們搜集到的(1992～2014年間的)多國(guó)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)情況，顯示出這個(gè)領(lǐng)域已取得豐碩了的成果。

表1 波動(dòng)及電磁脈沖在實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)的超光速群速及負(fù)群速數(shù)據(jù)示例

續(xù)表

5 物理相互作用的傳播速度

現(xiàn)在來看一些物理相互作用的傳播速度，這涉及引力作用、Coulomb力作用和量子糾纏態(tài)作用。這個(gè)論題非常重要，關(guān)系到我們對(duì)自然界的正確認(rèn)識(shí)。眾所周知，物理相互作用(physical interactions)主要有4種：引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用、弱相互作用。此外，我們認(rèn)為還有第5種，即量子糾纏態(tài)相互作用。

1675年，丹麥人O.Roemer公布了自己的研究成果——光速c=214000km/s。這是通過對(duì)木衛(wèi)一觀測(cè)算出的值，雖然系統(tǒng)誤差高達(dá)30%，卻是歷史上第一次用數(shù)據(jù)證明光速的有限性。在當(dāng)時(shí)I.Newton一方面自己做實(shí)驗(yàn)，也注意別人的實(shí)驗(yàn)。但對(duì)他1687年發(fā)表的萬(wàn)有引力理論而言，光速是一個(gè)太小的數(shù)值。Newton[2]的著作沒有正面討論引力傳播的速度，但他認(rèn)為引力作用是即時(shí)發(fā)生的，即表示引力速度vG=∞，后人稱為超距作用。他知道太陽(yáng)的光線到達(dá)地球要好幾分鐘；但太陽(yáng)的引力作用于地球，這個(gè)過程絕不會(huì)花費(fèi)幾分鐘的時(shí)間。對(duì)Newton而言，支配天體運(yùn)行的引力，和太陽(yáng)等光源發(fā)出的光，二者屬于不同的體系，沒有必然的聯(lián)系。因而，Newton絕不會(huì)認(rèn)為“引力傳播速度就是光的傳播速度”。這一想法是后人的，到今天已遭遇了不斷的質(zhì)疑。例如P.Laplace在1810年根據(jù)潮汐造成太陽(yáng)系行星軌道不穩(wěn)定的長(zhǎng)期影響，斷定引力速度是光速的108倍(即vG=108c)[27]。后來Laplace又說引力傳播速度可能是光速的幾百倍。這是最早的認(rèn)為引力以超光速傳播的觀點(diǎn)。

1905年A.Einstein提出狹義相對(duì)論(SR)，但這個(gè)理論完全沒有考慮引力。1911年1月16日，Einstein在瑞士Zürich發(fā)表演講。在講完后的討論中，R.L?mmel[28]教授發(fā)言說：“有的東西比光更快，萬(wàn)有引力。假如我們必須同意一種觀點(diǎn)，認(rèn)為在質(zhì)量間的引力事例中不可能談?wù)撍俣?，而只能有一種即時(shí)的效應(yīng)，那么我們就會(huì)遇到巨大的困難。因此引力也必須有某一速度。但是現(xiàn)在還沒有能夠測(cè)到這個(gè)速度?？磥砗芸赡苓@個(gè)速度比光速大得多?！贝送?，1913年9月23日Einstein在奧地利Vienna發(fā)表演講，著名物理學(xué)家M.Born提出了與L?mmel類似的看法，對(duì)Einstein的觀點(diǎn)(引力作用以光速傳播)表示了不同的意見?！T如此類的討論和指責(zé)使Einstein認(rèn)識(shí)到，不深入研究引力問題不行；不研究引力的傳播速度問題不行。他終于在1915～1918年間作出了理論上的答復(fù)——提出了廣義相對(duì)論(GR)及引力波理論體系。1918年A.Einstein發(fā)表論文“論引力波”，斷言引力傳播速度就是引力波速度，而后者是光速c。

但在1920年，A.S.Eddington[29]根據(jù)對(duì)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的討論斷定引力速度vG?c；根據(jù)日蝕全盛時(shí)比日、月成直線時(shí)超前斷定vG>20c。1997年T.Flandern[30]發(fā)表的關(guān)于引力速度的研究文章指出，對(duì)太陽(yáng)(S)～地球(E)體系而言，如果太陽(yáng)產(chǎn)生的引力是以光速向外傳播，那么當(dāng)引力走過日地間距而到達(dá)地球時(shí)，后者已前移了與8.3min相應(yīng)的距離。這樣一來，太陽(yáng)對(duì)地球的吸引同地球?qū)μ?yáng)的吸引就不在同一條直線上了。這些錯(cuò)行力(misalignedforces)的效應(yīng)是使得繞太陽(yáng)運(yùn)行的星體軌道半徑增大，在1200a內(nèi)地球?qū)μ?yáng)的距離將加倍。但在實(shí)際上，地球軌道是穩(wěn)定的；故可判斷“引力傳播速度遠(yuǎn)大于光速”。T.Flandern具體得到兩個(gè)結(jié)果：使用地球軌道數(shù)據(jù)作計(jì)算時(shí)得vG≥109c；使用脈沖星(PSR1534+12)的數(shù)據(jù)作計(jì)算時(shí)得vG≥2×1010c。Flandern的觀點(diǎn)是有兩個(gè)相對(duì)論，一個(gè)是A.Einstein的，一個(gè)是H.Lorentz的，兩者并不相同。后者他稱為L(zhǎng)orentzianrelativity(LR)，特點(diǎn)是存在特惠參考系(preferredframe)，并可以解釋引力傳播的超光速現(xiàn)象；而SR卻無(wú)法解釋。

2003年1月9日，新聞媒體發(fā)布了一條消息：“科學(xué)家首次測(cè)出引力速度——證明了Einstein的近代物理理論”。其中說：“科學(xué)家第一次測(cè)量出引力速度。這是二位科學(xué)家1月8日在美國(guó)Seatle召開的美國(guó)天文學(xué)會(huì)會(huì)議上公布的，這次實(shí)驗(yàn)再次證實(shí)了Einstein的理論是正確的”。美國(guó)物理學(xué)家S.Kopeikin說：“Newton認(rèn)為引力是瞬時(shí)速度，Einstein則推測(cè)引力是以光速傳播的，但直到現(xiàn)在為止，還沒有人測(cè)量過引力的速度?！碑?dāng)木星經(jīng)過它前面一個(gè)遙遠(yuǎn)的天體時(shí)，通過觀測(cè)射電波輕微的彎曲，Kopeikin和Fomalont[31]確信引力傳播的速度與光速相等。他們說這個(gè)發(fā)現(xiàn)的誤差在20%以內(nèi)。這一測(cè)量是2002年9月8日使用美國(guó)的長(zhǎng)基線陣列射電望遠(yuǎn)鏡和一臺(tái)德國(guó)的射電望遠(yuǎn)鏡共同進(jìn)行的。

但是，媒體的上述報(bào)導(dǎo)并沒有得到科學(xué)界的承認(rèn)。大多數(shù)美國(guó)物理學(xué)家認(rèn)為，S.Kopeikin等二人的觀測(cè)結(jié)果只代表了引力場(chǎng)中的光速，即射電波速度，不代表引力的速度。例如，著名物理學(xué)家C.Will在1月9日撰文反駁，題名為“引力傳播速度及相對(duì)論時(shí)延”。C.Will指出，類星體的射電信號(hào)經(jīng)過木星附近區(qū)域時(shí)，射電波速度會(huì)有些變化，可是射電信號(hào)對(duì)引力速度是不靈敏的。所以，S.Kopeikin二人的觀測(cè)結(jié)果不代表測(cè)量出引力速度?！瓕?shí)際上，《Nature》和《Science》都報(bào)告說，科學(xué)家們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)的解釋有致命的缺陷。紐約大學(xué)石溪分校的P.vanNieuwenhuizen一生致力于引力研究，他說“這完全沒有意義”。另一位物理學(xué)家K.Nordtvedt說：“實(shí)驗(yàn)很精采，但與引力速度無(wú)關(guān)”[32]。

總之，可以說，引力速度從未被真正測(cè)量過，研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于光速的測(cè)量。vG如真的被人測(cè)出，都會(huì)造成轟動(dòng)，甚至可能被授予Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)。但從2003年至今多年過去了，這一切都未發(fā)生，說明測(cè)量vG仍是一個(gè)尚待完成的任務(wù)。

在物理學(xué)中場(chǎng)論有普遍性的特征：電磁場(chǎng)、引力場(chǎng)、Higgs場(chǎng)和量子場(chǎng)等等。因此，人們對(duì)引力場(chǎng)和電磁場(chǎng)作比較研究，是可以理解的作法。例如近年來的靜電場(chǎng)(Coulomb場(chǎng))傳播速度開展研究，就是一個(gè)例子。2007～2011年間，R.Smirno-Rueda小組發(fā)表論文，說他們測(cè)量到電磁場(chǎng)相互作用速度遠(yuǎn)大于光速，速度與波長(zhǎng)有關(guān)。2000年R.Tzontchev等[33]的論文“Coulomb作用并非瞬時(shí)地傳開”，說對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理顯示，Coulomb相互作用的傳播速度(群速)為

v=(3.03±0.07)×108m/s

故有

即Coulomb作用傳播速度vc比c快大約1%。

2014年11月，R.de.Sangro等[34]在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上貼出論文“Coulomb場(chǎng)傳播速度測(cè)量”。按照筆者的理解，如果我們想知道空間某點(diǎn)p(x，y，z)處放一電荷q產(chǎn)生的Coulomb場(chǎng)的傳播速度，可以等效為：設(shè)電荷q以速度v運(yùn)動(dòng)，計(jì)算p點(diǎn)電場(chǎng)與v的關(guān)系；后者即代表了前者。de.Sangro等指出，當(dāng)電荷以恒速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其行為可以計(jì)算，發(fā)現(xiàn)某點(diǎn)的電場(chǎng)在以Lienard-Weichert勢(shì)評(píng)估時(shí)的計(jì)算，是與Coulomb場(chǎng)以無(wú)限大速度傳播時(shí)的計(jì)算，實(shí)際上相同。這是一個(gè)速度場(chǎng)的直接影響后果，LW勢(shì)部分與電荷加速無(wú)關(guān)，是靜電場(chǎng)(staticfield)?！癋eynman解釋”和“靜態(tài)Coulomb”場(chǎng)，兩個(gè)觀點(diǎn)哪個(gè)對(duì)？只能由實(shí)驗(yàn)決定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，“運(yùn)動(dòng)電荷嚴(yán)格承載一個(gè)Coulomb場(chǎng)”的假設(shè)是正確的。也就是說，結(jié)果符合LW公式預(yù)期。

表2給出我們搜集到的對(duì)幾種物理作用的計(jì)算和測(cè)量結(jié)果；對(duì)末行(量子糾纏態(tài)相互作用)將在下節(jié)作出說明。

表2 幾種物理相互作用的傳播速度研究示例

6 量子糾纏態(tài)的傳播速度

傳統(tǒng)的經(jīng)典物理認(rèn)為相互作用只有4種，但量子力學(xué)(QM)帶來了全新的概念和認(rèn)識(shí)。這個(gè)詞的英文是entangled states，表示一對(duì)相互糾纏的光子的相關(guān)性是自然界的奇妙現(xiàn)象之一：從理論上講兩者距離多遠(yuǎn)這種相關(guān)都不會(huì)改變。這真是一種獨(dú)特的物理相互作用。

眾所周知，量子體系的態(tài)函數(shù)Ψ可由求解Schr?dinger方程而得出。對(duì)于電子等微觀粒子，Schr?dinger方程是最基本的方程，在量子力學(xué)(QM)中的地位相當(dāng)于Newton方程在經(jīng)典力學(xué)中的地位。對(duì)于復(fù)合體系(I、II)的量子態(tài)，可由子系統(tǒng)I、II的態(tài)線性組合而成；如果是用子系態(tài)直積形式構(gòu)成的復(fù)合系態(tài)，稱為可分態(tài)。如果測(cè)量時(shí)二者結(jié)果互相牽連，不能表示成子系態(tài)的直積形式，這種復(fù)合體系的態(tài)稱為不可分態(tài)，也叫糾纏態(tài)。1935年的EPR論文實(shí)際上使用了糾纏態(tài)概念[39]，文中的二粒子體系的波函數(shù)(雙粒子量子態(tài))就是一個(gè)糾纏態(tài)。量子糾纏態(tài)可簡(jiǎn)寫為OES。

對(duì)于1935年的EPR論文，J.Bell[40]于1965年提出了著名的不等式作為判據(jù)，其分析建筑在D.Bohm的自旋雙粒子體系詮釋及隱變量理論的基礎(chǔ)上。Bell的分析有三個(gè)假定——自旋雙態(tài)系統(tǒng)、理想相關(guān)和局域性條件，得出的不等式與QM的預(yù)言相沖突；但這一理論進(jìn)展使實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)成為可能。1972～1983年間的十余個(gè)實(shí)驗(yàn)(包括著名的Aspect實(shí)驗(yàn)[41])，結(jié)果都是違反Bell不等式卻與QM相符。值得注意的是，自1982年至今，以檢驗(yàn)Bell不等式為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)在各國(guó)繼續(xù)進(jìn)行：并且在實(shí)驗(yàn)中的糾纏態(tài)雙光子的間距，由最早(Aspect)的15m，進(jìn)步到1998年的400m和2005年的25km，最后(2007年)達(dá)到144km，實(shí)驗(yàn)進(jìn)展驚人。光子對(duì)的遠(yuǎn)距離糾纏顯示了神奇的特性，非常令人驚訝。通俗地說，不論兩個(gè)粒子相距多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的變化會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫量子糾纏。正是量子理論與信息技術(shù)的結(jié)合(始于20世紀(jì)90年代)，產(chǎn)生了一門蓬勃發(fā)展的學(xué)科“量子信息學(xué)”(quantuminformationtechnology，QIT)，目標(biāo)是在深刻了解原理的基礎(chǔ)上研制量子保密通信系統(tǒng)和量子計(jì)算機(jī)；此外還造成了量子雷達(dá)(QR)的發(fā)展。

我們知道，Bohm所闡述的EPR思維提示了一種奇怪的量子相關(guān)。當(dāng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)粒子相互作用后分開很遠(yuǎn)，其自旋相等而相反，故可從一個(gè)推斷另一個(gè)。根據(jù)量子力學(xué)，兩者的自旋都不確定，直到測(cè)出為止。測(cè)量確定了一個(gè)粒子的自旋方向，量子相關(guān)使另一粒子立即接受確定的自旋。這一結(jié)果即使二者相距若干光年也對(duì)。這種遠(yuǎn)距離作用暗示粒子間有一種超光速作用存在。

長(zhǎng)期以來，研究QIT的專家不曾重視QES的作用速度問題(也有人認(rèn)為是無(wú)限大)，這種狀況現(xiàn)在已經(jīng)改變。2005年6月，英國(guó)刊物《NewScientist》報(bào)道了瑞士科學(xué)家N.Gisin所領(lǐng)導(dǎo)的研究[42]。Gisin小組利用在Geneva湖水下面的光纖話纜，把光子送到25km以外；結(jié)果確與Bell不等式相反。Gisin小組另有一個(gè)研究結(jié)果非常引人注意——實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到QES的作用速度為(104～107)c[35]。這是重要的情況，表示這個(gè)作用速度不是無(wú)限大，而是超光速的。這雖然并不說明可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)所謂“量子超光速通信”，但證明“量子信息超光速傳送”也有其意義。總之，Gisin認(rèn)為出現(xiàn)了光子間的某種影響是以超光速傳遞的(somekindofinfluenceappearstobetravellingfasterthanlight)。由于隨機(jī)性而不可控，這些超光速鏈尚不能用來傳送信息，但意味著量子理論的時(shí)空描述有其特色。

美國(guó)著名物理學(xué)家R.Feynman曾說，我們常常不能解釋自然界為何以這么奇特的方式行事，但我們必須按照自然界的本來面目接受自然界。這樣說固然不錯(cuò)，但回顧從1935年的EPR論文到2007年的144km遠(yuǎn)的雙光子量子糾纏，仍然給人以一種神秘感。對(duì)QES作用速度的測(cè)量雖由N.Gisin等開了頭(他們證明不是無(wú)限大速度而是超光速)，科學(xué)界肯定還要深入研究下去。關(guān)于這種作用速度的測(cè)量方法亦有待創(chuàng)新。

量子力學(xué)中的量子糾纏態(tài)是很特別的，1947年Einstein在給M.Born的信中稱之為“幽靈般的超距作用”(spookyactionatadistance)，并想說明量子力學(xué)理論是不對(duì)的。與其他物理效應(yīng)(幅度隨距離變)對(duì)照，量子糾纏效應(yīng)預(yù)期不管多遠(yuǎn)也有同樣強(qiáng)度。Schr?dinger曾對(duì)此觀念感到不快，其1935～1936年論文認(rèn)為糾纏僅發(fā)生在微觀距離。二位大師都錯(cuò)了！許多年過去，量子糾纏距離在實(shí)驗(yàn)中不斷增加。2008年Salart等[35]的實(shí)驗(yàn)，——一對(duì)光子相距達(dá)18km；他們的源在日內(nèi)瓦，兩個(gè)精確等長(zhǎng)光纜通向兩個(gè)村莊，他們?cè)谌諆?nèi)瓦湖以東及以西。用干涉儀監(jiān)測(cè)；由于兩光子走過相同距離，應(yīng)同時(shí)到達(dá)干涉儀。Salart的結(jié)論是：在糾纏光子之間通過的任何信號(hào)，不是即時(shí)的，至少也在104c以上的超光速進(jìn)行。雖然這與Einstein的說法(“nothingtravelsfasterthanlight”)不符，但卻是實(shí)驗(yàn)證明了的事實(shí)。

2008等8月15日，新浪科技網(wǎng)轉(zhuǎn)引美國(guó)生活網(wǎng)的如下報(bào)道：“Einstein曾對(duì)任何超光速的說法都予以駁斥，但事實(shí)很可能會(huì)表明這是他一生中犯下的錯(cuò)誤之一。瑞士科學(xué)家稱，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中證實(shí)，處于糾纏狀態(tài)的亞原子粒子，它們之間信號(hào)傳輸?shù)乃俣纫h(yuǎn)遠(yuǎn)超出光速。在8月14日出版的最新一期《Nature》雜志上，瑞士的5位科學(xué)家公布了他們的這項(xiàng)最新研究成果。瑞士科學(xué)家表示，原子、電子以及宇宙空間其他所有的微觀物質(zhì)都可能會(huì)表現(xiàn)出異常奇怪的行為，其行為規(guī)律可能與我們?nèi)粘Ｉ钪袀鹘y(tǒng)的科學(xué)規(guī)律完全背道而馳。比如，物體可以同時(shí)存在于兩個(gè)或多個(gè)場(chǎng)所；可以同時(shí)以相反的方向旋轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象也許只有通過量子物理學(xué)才能解釋。量子物理學(xué)認(rèn)為，任何事物之間都可能存著某種特定的聯(lián)系。發(fā)生于某一物體之上的事件，可能同時(shí)對(duì)其他物體也會(huì)產(chǎn)生影響。這種現(xiàn)象稱為量子糾纏。不管物體之間的距離有多遠(yuǎn)，同樣存在量子糾纏的關(guān)系。

Einstein堅(jiān)決反對(duì)量子糾纏理論，甚至將其戲稱為‘遠(yuǎn)距離的鬼魅行為’。根據(jù)量子力學(xué)理論的描述，兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，都能感知和影響對(duì)方的狀態(tài)。幾十年來，物理學(xué)家試圖驗(yàn)證這種神奇特性是否真實(shí)，以及決定它的幕后原因。其實(shí)，我們可以運(yùn)用形象化的說明來解釋這種現(xiàn)象。被糾纏的物體釋放出某種不明粒子或其他形式的高速信號(hào)，從而對(duì)其伙伴產(chǎn)生影響。此前，已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)傳統(tǒng)物理學(xué)領(lǐng)域中某種隱藏信號(hào)的存在，從而打消了人們對(duì)于這種隱藏信號(hào)的種種疑問。但是，仍然有一個(gè)奇怪的可能性沒有得到證實(shí)，即這種未知信號(hào)的傳輸速率可能會(huì)比光速還要高。

為了證實(shí)這種可能性，瑞士科學(xué)家對(duì)一對(duì)相互糾纏的光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先，研究人員們將光子對(duì)拆散；然后，通過由瑞士電信公司提供的光纖向兩個(gè)村莊接收站進(jìn)行傳送，接收站之間相距約18公里。沿途光子會(huì)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的探測(cè)器，因此研究人員能夠隨時(shí)確定它們從出發(fā)到終點(diǎn)的顏色。最終，接收站證實(shí)每對(duì)相互糾纏的光子被分開傳送到接收站后，兩者之間仍然存在糾纏關(guān)系。通過對(duì)其中一個(gè)光子的分析，科學(xué)家可以預(yù)測(cè)另一光子的特征。在實(shí)驗(yàn)中，任何隱藏信號(hào)從此接收站傳送到彼接收站，僅僅需要一百萬(wàn)兆分之一秒。這一傳輸速率保證了接收站能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到光子。由此可以推測(cè)任何未知信號(hào)的傳輸速率至少是光速的10000倍。

Einstein不僅不接受量子糾纏的思想，而且還堅(jiān)持認(rèn)為不可能存在比光速還要快的信號(hào)，任何比光速快的‘鬼魅似的遠(yuǎn)距作用’都是不可思議的?！茖W(xué)家們從實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論，既可以反駁他的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，也可以用來解同一事物同時(shí)出現(xiàn)在不同地點(diǎn)這一奇異現(xiàn)象。Einstein都無(wú)法解釋的奇怪行為，正是量子物理學(xué)的魅力所在?！?/p>

以上描述可能有些淺薄，故應(yīng)作進(jìn)一步說明。Salart等[35]的文章的題目是“Testingthespeedof‘spookyactionatadistance’”(“測(cè)試‘遠(yuǎn)距離鬼魅行為’的傳播速度”)，這很生動(dòng)，用上了Einstein多年前的話。在摘要中說：

“各種相關(guān)性大體是通過兩種機(jī)制來描述的。一種是，第一件事物通過發(fā)送信息來影響第二件事物，這種信息是在玻色子或其它物質(zhì)載體編碼實(shí)現(xiàn)的。另一種是說相關(guān)的兩個(gè)事物在它們共同的歷史中有一些共同的原因。量子物理對(duì)一些相關(guān)性預(yù)言了完全不一樣的理由，叫糾纏態(tài)。這種狀態(tài)揭示了在相關(guān)性上類空獨(dú)立事物間違背了Bell不等式(也就是代表不能用一般的理由去描述它們)。許多Bell試驗(yàn)已經(jīng)完成，在幾個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中關(guān)閉了與位置相關(guān)的透光孔，進(jìn)行了封閉探測(cè)。在這里第一件事物還是有可能作用到第二件事物，假設(shè)這種作用(Einstein提出的某一遠(yuǎn)距離上‘神奇’的作用)存在，然而它的速度需要在一個(gè)通用的特惠參照系中定義，而且將會(huì)超過光速。在這里我們給所有這樣的假設(shè)性作用的速度設(shè)定了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)限制。我們?cè)趦蓚€(gè)相隔18Km的山村間做了長(zhǎng)達(dá)24個(gè)多小時(shí)的Bell型試驗(yàn)，而且兩個(gè)村子大約呈東西布局，源恰恰放在它們中間。我們持續(xù)觀察到雙光子干涉遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Bell不等式的最大值。我們利用地球的旋轉(zhuǎn)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)，這一實(shí)驗(yàn)構(gòu)造允許我們對(duì)于任何假設(shè)性特惠參照系，都可以對(duì)這個(gè)作用的速度確定一個(gè)更低的限值。例如，如果這樣的特惠參照系存在，并且在這個(gè)參照系中地球運(yùn)動(dòng)的速度是它在光速中速度的10-3倍還要少，于是這種作用的速度將必然超過光速至少4個(gè)數(shù)量級(jí)?！?/p>

Salart說，根據(jù)量子理論，違背Bell不等式的量子相關(guān)性經(jīng)常發(fā)生在外時(shí)空，在這種條件下對(duì)它們的發(fā)生沒有時(shí)空概念：沒有說這兒一件事物一定作用于遠(yuǎn)處的另一件事物。可是這種相關(guān)性的描述，完全不同于以往的任何科學(xué)，所以應(yīng)該進(jìn)行比較全面的試驗(yàn)。在1989年，Eberhard認(rèn)為這種通用特惠的參考系可以通過實(shí)驗(yàn)來研究。他認(rèn)為這種作用盡管超光速但是速度是有限的。從今以后，如果事件同時(shí)在這個(gè)通用特惠的參考系中，信號(hào)不會(huì)準(zhǔn)時(shí)到達(dá)，而且不會(huì)違背不等式。也就是如果事件同在某個(gè)參照系中，它們將同時(shí)沿著兩個(gè)事件連線的垂直方向運(yùn)動(dòng)。因此，Eberhard提出在東西方向上做一次長(zhǎng)距離的、12小時(shí)一周期的Bell型試驗(yàn)。如果這些事件同時(shí)在地球參照系中，那它們對(duì)于所有參照系都將沿著垂直于東西方向軸線的平面運(yùn)動(dòng)，而且在12小時(shí)內(nèi)所有可能的假設(shè)性特許參照系都將會(huì)觀察到。有一個(gè)有趣的提法推測(cè)存在一種快子場(chǎng)，這種場(chǎng)是耦合糾纏粒子的，我們不認(rèn)同這種說法。

量子力學(xué)中Bohm的導(dǎo)波模型是一個(gè)包含明顯遠(yuǎn)距Spooky作用理論的實(shí)例，它要求假設(shè)存在一個(gè)通用的特惠參照系。另外，如果遠(yuǎn)距的Spooky作用以有限速度傳播，那么如下提到的一個(gè)實(shí)驗(yàn)就可能是歪曲了這個(gè)導(dǎo)波模型。直到2000年，一個(gè)根據(jù)以上思想做的Bell型實(shí)驗(yàn)已被分析。然而，這個(gè)分析只針對(duì)兩種假設(shè)性特惠參照系。第一個(gè)系是定義為宇宙微波背景的輻射；第二個(gè)被分析的系是‘SwissAlps參照系’，也就是，不是一種通用的系僅僅是定義為大眾的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。假設(shè)這個(gè)特惠系與實(shí)驗(yàn)環(huán)境有關(guān)，這樣很自然就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)情形，會(huì)出現(xiàn)大眾環(huán)境在實(shí)驗(yàn)的兩方面不同的問題。這也是2000年實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵課題。在這兩個(gè)參照系的分析中，這種設(shè)想的超光速作用被定義為量子信息速度，也就是不同于傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸。

實(shí)驗(yàn)像是一個(gè)大的Franson干涉儀。源位于我們?cè)谕瑑?nèi)瓦的實(shí)驗(yàn)室，它在一個(gè)非線性晶體中利用標(biāo)準(zhǔn)參量下轉(zhuǎn)換發(fā)射糾纏光子對(duì)(這里有一個(gè)連續(xù)波激光器在一個(gè)波導(dǎo)中傳泵浦光，這個(gè)波導(dǎo)在一個(gè)周期性的桿上鋰鈮酸鹽晶體中)。利用光纖Bragg光柵和光環(huán)行器，每一光子對(duì)都是確定性地分離，而且其中一個(gè)光子會(huì)通過Swisscom光纖光網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Satigny，日內(nèi)瓦東部的一個(gè)村莊。這兩個(gè)接收基站坐落在兩個(gè)村莊，相隔直線距離18km。我們利用能量-時(shí)間糾纏態(tài)，糾纏態(tài)的形式在標(biāo)準(zhǔn)通信光纖領(lǐng)域中屬于量子通信。在每一個(gè)接收基站，光子通過同樣的非平衡光纖Michelson干涉儀。失衡程度比單光子相干長(zhǎng)度大，意思是任何單光子干涉都可以避免，但它遠(yuǎn)小于pump激光器的相干長(zhǎng)度。因此，當(dāng)同時(shí)在Satigny村和Jussy村探測(cè)一個(gè)光子對(duì)，我們對(duì)光子走哪條路徑是未知的。但是由于光子是同時(shí)發(fā)出的，它們必然都走了同樣的路徑。就像經(jīng)常在量子物理中提到的那樣，這種不可分辨性導(dǎo)致long-long路徑和short-short路徑之間的干涉。持續(xù)觀測(cè)一臺(tái)干涉儀的相位(位于Jussy村)，同時(shí)保持另一臺(tái)的穩(wěn)定，在兩個(gè)地方的光子探測(cè)間產(chǎn)生一個(gè)正弦振蕩相關(guān)性。

干涉條紋在多次運(yùn)行中被記錄，經(jīng)常持續(xù)好幾小時(shí)。通過并置歷時(shí)幾周得到的幾輪測(cè)量結(jié)果，覆蓋了一個(gè)周期為360s可見度高于限值的干涉條紋24小時(shí)，這個(gè)限值是通過Clauser-Horne-Shimony-HoltBell不等式確定的?？梢姸却蟮米阋耘懦魏纹胀ǖ脑?，從而相關(guān)性既與糾纏態(tài)有關(guān)，又與假設(shè)在某遠(yuǎn)距的作用有關(guān)，希望它們的速度有下界。因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間測(cè)量短周期的條紋很難使其連續(xù)擬合，我們?cè)谝粋€(gè)對(duì)應(yīng)一個(gè)半條紋的時(shí)間窗內(nèi)擬合數(shù)據(jù)，然后觀測(cè)這個(gè)時(shí)間窗，就像補(bǔ)充信息中說明的。我們發(fā)現(xiàn)，一天內(nèi)總是出現(xiàn)破壞Bell不等式的情況，使在任何參照系中對(duì)于量子信息速度計(jì)算出更低的限值成為可能。這個(gè)限值依賴于實(shí)驗(yàn)中定位參數(shù)的精確度。

首先，位于源極和單光子探測(cè)器之間的光纖長(zhǎng)度被測(cè)量。長(zhǎng)光纖(幾公里長(zhǎng))是通過使用單光子光學(xué)時(shí)域反射計(jì)來測(cè)量的，短光纖(長(zhǎng)度不足500米)測(cè)量則是利用光學(xué)頻率強(qiáng)度反射計(jì)。位于Satigny村這邊的光纖長(zhǎng)度要比另一邊的短4.1km。我們?cè)谳^短的一邊增加一個(gè)光纖圈，這是為了將兩邊的差異減少到1cm，因?yàn)閘cm的不確定性正好能與49ps的光速相符合。為了消除測(cè)量精確位置的不確定性，我們需要調(diào)整光纖長(zhǎng)度，從源極到每個(gè)干涉計(jì)內(nèi)部的光纖結(jié)合處，并且也要到光電二極管罩(就是能探測(cè)到光子的地方)。因此，這個(gè)結(jié)構(gòu)必須具有對(duì)稱性。

接下要考慮的是在光纖內(nèi)部的色散，色散增加了到達(dá)時(shí)間的不確定性。由于糾纏在一起的光子在能量上是相斥的，它們時(shí)間上的遲滯總是相反的，這樣一來，又增加了一種不確定性；這些問題都被考慮了。最后，可算出量子信息速度vqi的低限值，它超過104c?！?/p>

從Salart等的敘述，筆者判斷這是一個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)，具有里程碑式的意義。但是，超光速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總是不符合一些堅(jiān)持傳統(tǒng)理論的學(xué)者的口味，故迄今為止物理界的重視是不夠的?！@個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們已列入在表2之中。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文主要從4方面進(jìn)行論述：①宏觀物質(zhì)的速度；②微觀粒子的速度；③波動(dòng)形態(tài)的速度；④物理作用的速度。在①中突出地討論了大航天時(shí)代對(duì)提高飛船速度的迫切要求；在②中深入探討了在微觀世界如何定義速度；在③中指出波速定義的標(biāo)量性，以及負(fù)波速的定義和研究情況；在④中討論了三方面的問題——引力作用速度、Coulomb場(chǎng)的傳播速度，以及量子糾纏態(tài)傳播造成的量子信息速度。豐富的內(nèi)容提供了論題重要性的真實(shí)根據(jù)，揭示了科學(xué)界的研究進(jìn)展和問題。

實(shí)際上，在上述每種情況下都有特殊的課題。以波速研究為例，就含有下述令人感興趣的領(lǐng)域——“光?！毖芯?使光子停下來、實(shí)現(xiàn)零波速)；亞光速研究(“光學(xué)”的絕大部分內(nèi)容均此)；光速研究(討論光速c本身)；超光速研究(近年來的熱門領(lǐng)域)；由無(wú)限大光速再進(jìn)一步形成負(fù)波速的研究[43-45](超光速的一種新形態(tài))。在這些方面均有許多理論與實(shí)驗(yàn)值得稱道，非常令人鼓舞。

可以說，近年來在多國(guó)開展的超光速研究，極大地豐富和促進(jìn)了對(duì)有關(guān)速度問題的深入探討。雖然1999年國(guó)際知名的航天專家P.Murad[46]提出了“建設(shè)超光速宇宙飛船”的概念，但是，對(duì)于中性物質(zhì)粒子(如中子、原子)的超光速運(yùn)動(dòng)尚無(wú)實(shí)驗(yàn)成功的報(bào)道，對(duì)實(shí)體物質(zhì)(如固體)的運(yùn)動(dòng)更是如此。既然實(shí)體物質(zhì)的超光速運(yùn)動(dòng)的實(shí)證還存在問題，“超光速飛船” 尚非現(xiàn)實(shí)的課題。故所謂“以光速或超光速航行的宇宙飛船”，只是一種設(shè)想；但它將成為對(duì)地球人類的智慧與能力的最大挑戰(zhàn)之一，將來究竟能否實(shí)現(xiàn)，目前尚難估計(jì)。設(shè)計(jì)新的、巧妙的超光速實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前最重要的工作。實(shí)驗(yàn)最好用不帶電的中性粒子(如中子、原子)進(jìn)行。

迄今為止全世界的超光速研究水平不高；盡管在美國(guó)、德國(guó)、意大利、中國(guó)等國(guó)科學(xué)家的參與下，已有了一個(gè)好的開始，“禁區(qū)”已被打破。由于實(shí)驗(yàn)進(jìn)展的推動(dòng)，人們又提出了各種“允許超光速運(yùn)動(dòng)存在”的時(shí)空理論，使有關(guān)研究更趨活躍?！欢覀儽仨氄f，迄今為止的超光速研究尚處在嬰兒時(shí)期，水平不高、成績(jī)有限。研究成果的特點(diǎn)僅為發(fā)現(xiàn)光子、微波、光脈沖和電脈沖的傳輸速度可以超光速；因此任何過于樂觀的估計(jì)都是不切實(shí)際的。

致謝：本文部分內(nèi)容曾與首都師范大學(xué)物理系耿天明教授討論，獲得有益的啟發(fā)，謹(jǐn)致謝意！

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(責(zé)任編輯：龍學(xué)鋒)

Research and Discussions for the Velocity

HUANG Zhi-xun1，JIANG Rong2

(1.Communication University of China，Beijing 100024；2.Zhejiang University of Media and Communication，Hangzhou 310018)

Velocity is the physical quantity which connect with the two fundamental quantities—space and time. This physical quantity is outside the range of the fundamental quantities，but it is a derived quantity and its importance has become increasingly. As we know the development history of science and technology is a history that show the velocity is continuously improved and increased by human，due to the higher velocity represents the more shorter time can gain more bigger space. Quantum mechanics uses wave functions to describe the status and the statistical interpretation of the microscopic particles without the traditional method from classical mechanics，so it is very difficult for us to proposed a proper definition. However，the microscopic particles are still described by using the microscopic parameter as velocity.This paper highlights the urgent requirements of the speed improvement of the aircraft for aerospace age，which will be the core discussion contents of the macroscopic physical speed，and then we review and discuss some important view，such as the microscopic particle velocity，wave velocity and physical interaction velocity，etc.. Propose need have the new understanding for the velocity of the wave motion，and know the unique significance of its scalar nature and negative wave velocity. Actually，negative velocity is a special status of superluminal speed in the wave science.In terms of the propagation velocity of physical interaction，the research progress of gravitational propagation velocity，Coulomb electrostatic field propagation velocity and quantum entangled state propagation velocity are discussed emphatically，and state that superluminal transmission phenomenon was proved by the theoretical or experimental evidences. In recent years，the study of superluminal speed by multi-national scientists has greatly promoted the velocity of the exploration. However，the so-called “superluminal speed space flight” is only an idea，any over-optimistic estimates are unrealistic.

velocity of macro materials；velocity of micro materials；wave speed；gravity propagation speed；Coulomb field propagation speed；velocity of entangled state propagation；faster than light；negative wave speed

2016-11-25

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， E-mail：huangzhixun75@163.com.

O

A

1673-4793(2017)01-0007-16

本文突出了大航天時(shí)代對(duì)提高飛行器速度的迫切要求，以此作為討論宏觀物質(zhì)速度的核心內(nèi)容。然后深入探討了微觀粒子速度、波速度、物理相互作用速度等重要問題。指出：對(duì)波動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度要有新認(rèn)識(shí)，承認(rèn)其標(biāo)量性和負(fù)波速的獨(dú)特意義。實(shí)際上，在波科學(xué)中負(fù)速度是超光速的一種特殊形式。在物理相互作用的傳播速度方面，著重討論了引力傳播速度、Coulomb靜電場(chǎng)傳播速度、量子糾纏態(tài)傳播速度這三方面的研究進(jìn)展，說明在這些方面都用理論或?qū)嶒?yàn)證明了存在超光速傳播的現(xiàn)象。實(shí)際上，近年來，多國(guó)科學(xué)家研究超光速的熱潮極大地促進(jìn)了對(duì)速度問題的探索。但是，所謂“超光速宇航”僅為一種大膽的設(shè)想，任何過于樂觀的估計(jì)都是不切實(shí)際的。