超光速研究的现状与未来

作者：曹丙利

    外星人是否来过地球？人类何时才能实现遥远的太空旅行梦想？如果有一艘超光速的飞船，也许一切问题就都有了答案。然而由于理论框架和实验手段的局限，对超光速的看法一直存在争议。中国传媒大学的黄志洵教授从事超光速的研究多年，先后出版了《超光速研究——相对论,量子力学,电子学与信息理论的交汇点》(科学出版社,1999)、《超光速研究新进展》(国防工业出版社,2002)、《超光速研究的理论与实验》(科学出版社,2004)、《超光速研究及电子学探索》(国防工业出版社，2008)等4部学术专著，并分别在第11期和15期《前沿科学》上发表了《超光速宇宙航行的可能性》和《超光速实验的一个新方案》两篇论文。日前记者对黄志洵教授进行了专访，试着为您揭开超光速的神秘面纱。

　　记者：大家都知道爱因斯坦的狭义相对论已说过光速不可超越。您为什么仍然坚持进行超光速的研究？

　　黄志洵：2007年12月26日宋健院士在写给国防科技大学谭暑生教授的信中有几句话：“说光速不能超过使航天人很不安。有人讲逛遍太阳系后我们无事可做了，怎么宇航？”另一位航天专家，中国运载火箭研究院12所的老科学家林金教授在今年10月16日召开的第三届现代基础科学发展论坛上作学术报告时指出，传统的相对论理论对航天领域中的有关问题未能给出满意的答复。他用惯性导航理论进行计算证明，飞船相对于惯性坐标系做加速飞行只要时间够长，飞船相对于惯性系的速度可以超过光速。

　　10月1日我国发射了嫦娥2号探月卫星，3年以后还将发射嫦娥3号，将来也会开展对火星和金星的探测。英国行星学家曾经预测，在我们的银河系至少有不少于3.5%的星球可能存在生命，而2010年9月，美国天文学家们的一项新发现似乎证明了他们的这一理论。卡耐基华盛顿研究所和加州大学的科学家们，用凯克-1光学望远镜——目前世界上最大的光学望远镜，发现距离太阳系20光年远的天秤座星群中存在着一个表面覆盖着液态水以及具有引力的天体。科学家给这个天体命名为“581g”，它围绕红矮星葛利斯（Gliese） 581公转，自转周期为37天。这是科学家迄今为止发现的最适合生命存在的地外星球。然而，用现有的技术到达那里至少需要35万年之久。

　　不论是从国家长远发展的战略，还是人类探索地外文明的需要考虑，进行超光速研究都有非常重要的意义。当然，现在就谈设计光速飞船或者超光速飞船还为时尚早，但是应该探讨这件事的可能性。

　　记者：国际上进行超光速研究的进展如何？

　　黄志洵：美国的物理学家欧列克萨·迈伦·比兰纽克和E·C·乔治·苏达山在1962年，吉拉德·费恩伯格在1967年分别提出：超光速运动的粒子不违反相对论物理学的任何基本准则。这样一个假设的粒子可能放出类似于轮船涡流的契伦科夫辐射，因此可能被探测到。超光速粒子的质量可能是假想的，就比如-1的平方根是假想的一样。

　　假如超光速粒子真的被证明是存在的，我们需要重新构想一下因果关系的概念，因为它们在某些情况下会在时间中逆行，所以对一名假想的观察者来说，超光速粒子的辐射将以吸收出现。然而，带有负能量的超光速粒子回到过去可以重新解释为，带有正能量的超光速粒子可以传送到将来；通过这样一个重新解释可以避开因果关系法则。

　　J·理查德·高特在1973年提出，大爆炸之后，可能形成了一个三重宇宙，分别包括物质世界，反物质世界和超光速粒子构成的世界。苏达山在1998年发表意见说“有必要继续寻找快子”，他相信总有一天会找到。

　　记者：您在论文中提出了小超光速和大超光速的概念，能不能解释一下？

　　黄志洵：最近十几年来，各国科学家做的一些超光速实验，主要是用了两个原理，一个是反常色散，另一个是消失态。正常色散是指物质的折射率随频率提高而加大，反常色散是指折射率随频率提高而减小。对于波的群速度而言，正常色散时是亚光速，反常色散时则有可能出现超光速。消失场或者消失波的特点是随距离增加衰减很快但相位基本不变，它可能存在于截止波导中，也可能存在于双三棱镜的间隙中。上世纪80年代中期，我提出了截止波导的量子理论模型，认为可以把截止波导当作势垒。90年代初德国科隆大学教授尼米兹根据这个思想做成了群速超光速实验。

　　总之，现在无论是利用反常色散还是消失态进行实验的结果都是群速可以超光速，但超的不多。我把5倍以下的结果称之为小超光速实验。那么什么是大超光速实验呢？我们都知道量子力学中有纠缠态现象，在纠缠态中一个光子可以瞬时影响另一个光子的特性。目前纠缠态中两个光子的距离最远可以达到144公里。瑞士科学家通过实验和计算，纠缠态中两个光子之间相互影响的速度可以达到104—107倍光速。除此之外，引力传播和挠场传播也是大超光速。

　　记者：您对现阶段开展实验研究的建议是什么？

　　黄志洵：首先我们要承认超光速的可能性，也就是速度无极限，然后再来考虑怎么实现的问题。实际上，只有相对论力学规定了速度的上限是光速，而牛顿力学和量子力学都没有为速度规定上限。

　　假如我们希望将来能够研制一艘超光速飞船，我们必须考虑不带电的中性物质能否超光速的问题。1993年美国科学家做成的一个实验对我们很有启发。他们让光子通过一个势垒，使光子的速度在光速的基础上又增加了70%。光子是中性的粒子，但不是物质粒子，必须设法使中子加速或者原子加速才有根本性的意义。

　　然而现在还没有任何实验能够证明中性物质可以做超光速运动，因此现阶段还是应该继续进行带电粒子的实验。我要着重指出的是，如果要在大超光速方面进行实验，那就必须要上升为国家战略，组织多学科的科学家进行协同攻关。